Atlas de histología vegetal y animal

LÍPIDOS

La estructura de la membrana celular está determinada por las características de sus componentes, fundamentalmente por los lípidos. Los otros componentes importantes de la membrana celular son las proteínas, principales actores en las funciones celulares asociadas a la membrana, y los glúcidos. Sin embargo, la diversidad y su organización espacial hacen a los lípidos esenciales. Así, ellos definen las propiedades físicas de las membranas. La longitud y el grado de saturación de sus ácidos grasos regulan la fluidez y el grosor de la membrana. Las cargas asociadas a sus partes hidrofílicas contribuyen a crear un gradiente eléctrico entre la cara externa y la interna, y por tanto a modular el potencial eléctrico de la membrana. Sus interacciones con las proteínas asociadas a la membrana modulan la actividad de éstas. Pero además pueden actuar como segundos mensajeros que abandonan la membrana, viajan a compartimentos intracelulares y desencadenan respuestas celulares. Se ha postulado que las interacciones moleculares entre ciertos lípidos producen la segregación de dominios espaciales y funcionales en áreas restringidas de la membrana que afectan también a la localización de las proteínas y a sus funciones. Son las denominadas balsas de lípidos o "lipid rafts".

Principales lípidos presentes en las membranas celulares.

Los lípidos constituyen aproximadamente el 50 % del peso de las membranas, con unos 5 millones de moléculas por µm². Las membranas celulares de una célula eucariota contienen más de mil tipos de lípidos que aparecen en distinta proporción según el tipo de membrana que estemos considerando. Se estima que aproximadamente el 5 % de los genes de una célula están dedicados a producir sus lípidos. Vamos a describir los más abundantes.

Fosfoglicéridos o glicerofosfolípidos

Son los lípidos más abundantes de las membranas celulares y estructuralmente constan de tres partes: dos cadenas de ácidos grasos, glicerol y un ácido fosfórico. Las cadenas de ácidos grasos contienen de 13 a 19 átomos de carbono de longitud. La mayoría de los enlaces entre estos carbonos son simples y por tanto se dice que son enlaces saturados. Más de la mitad de los ácidos grasos tienen al menos un doble enlace entre dos átomos de carbono, hablamos entonces de ácidos grasos insaturados. Estos dobles enlaces hacen que la cadena de ácido graso se doble y, aunque restrinja las posibilidades de movimiento de la cadena, un aumento de la proporción de estos dobles enlaces aumenta la fluidez de la membrana puesto que provoca más separación entre moléculas. Los ácidos grasos constituyen la parte hidrofóbica (fobia por el agua) de los glicerofosfolípidos y son los que constituyen la parte interna de las membranas. El glicerol hace de puente entre los ácidos grasos y la parte hidrofílica (apetencia por el agua). Este componente hidrofílico puede ser la etonalamina, colina, serina, glicerol, inositol o el inositol 4,5-bifosfato. Estos componentes son los que dan nombre a los distintos tipos de glicerofosfolípidos. El tipo fosfatidiletanolamina representa más del 50 % de los fosfoglicéridos en las membranas eucariotas.

Esfingolípidos

Deben su nombre a que poseen una molécula de esfingosina, un alcohol nitrogenado con un cadena carbonada larga, a la cual se le une una cadena de ácido graso, formando la estructura básica denominadaceramida (ver figura ). Por tanto queda una estructura similar a la de los glicerofosfolípidos, dos cadenas hidrofóbicas unidas a una estructura hidrofílica. Los esfingolípidos constituyen la mayoría de los denominadosglucolípidos de las membranas, es decir, lípidos que poseen uno o más azúcares unidos formando parte de su zona hidrofílica. Otro tipo de esfingolípidos son las esfingomielinas que poseen una etanolamina o una colina fosforiladas en sus zonas hidrofílicas. Los esfingolípidos son más abundantes en las mebranas plasmáticas que en las de los orgánulos, y se les propone como lo principales responsables, junto con el colesterol, de la segregación de la membrana en dominios moleculares (balsas de lípidos).

Esteroles

El colesterol es el esterol más importante de las células animales y el tercer tipo de lípido más abundante en la membrana plasmática, mientras que aparece en pequeñas proporciones en las membranas de los orgánulos celulares. El colesterol no aparece en las membranas de las plantas, en algunas células eucariotas, ni en las bacterias, pero estas células tienen otro tipo de esteroles. El colesterol se localiza entre las cadenas de ácidos grasos de los otros lípidos. Es importante para la estructura de la membrana puesto que junto con los esfingolípidos parece contribuir a formar heterogeneidades en la distribución molecular y también participa en ciertos procesos metabólicos vitales como la síntesis de hormonas esteroideas o de sales biliares, entre otras.

PROTEÍNAS

Las proteínas son las responsables de muchas de las funciones que tienen su base en las membranas celulares. Hay dos grandes grupos de proteínas relacionadas con las membranas: las integrales y las asociadas.

Proteínas integrales

En este esquema se muestran los principales tipos de proteínas transmembrana. Las hay con un solo cruce como la glicoforina o con varios como algunos receptores. En ambos casos la secuencia o secuencias de aminoácidos localizadas entre las cadenas de ácidos grasos adoptan una conformación en alfa hélice. La aquaporina, un canal que cruza numerosas veces la membrana, posee secuencias de aminoácidos de la zona hidrofóbica que se disponen en hebras beta. (Modificado de Pollard et al., 2007)

Modelos de membrana

Las proteínas integrales son aquellas que forman parte de la mambrana de manera permanente. Se dividen en tres grupos: las transmembrana, la integradas en una monocapa y las unidas covalentemente a moléculas que forman parte de la membrana

Las proteínas transmembrana poseen tres dominios en sus secuencias de aminoácidos: uno extracelular, uno intracelular y otro en el interior en la propia membrana. Poseen secuencias de aminoácidos con radicales hidrofóbicos que se sitúan entre las cadenas de ácidos grasos de los lípidos de la membrana, mientras que los dominios intra y extracelular poseen secuencias de aminoácidos con radicales hidrofílicos. Estas proteínas son mayoritariamente producidas en el retículo endoplasmático y repartidas por otras membranas de la célula principalmente mediante el tráfico vesicular, como veremos en capítulos posteriores.

Existen proteínas transmembrana cuya cadena de aminoácidos cruza una sola vez la membrana mientras que otras pueden hacerlo hasta 7 veces. Muchas proteínas transmembrana realizan su función cuando se asocian con otros polipéptidos también integrales para formar estructuras oligoméricas (más de un elemento). Las funciones son muy variadas, pero destacan la adhesión llevada a cabo por las integrinas, cadherinas, selectinas y otras; el intercambio de iones, calcio, sodio o potasio, entre ambos lados de la membrana como haven las bombas de iones y los canales iónicos, los cuales permiten gradientes que hacen posible, por ejemplo, la sínteis de ATP; permitir el cruce de moléculas como la glucosa por parte de los transportadores; algunas participan en lacomunicación celular y actúan como receptores de señales como los que reconocen los factores de crecimiento, neurotransmisores, hormonas y otros. En este último caso, la organización en dominios extracelular e intracelular permite una comunicación entre ambos lados de la membrana, lo cual hace que una información extracelular, por ejemplo una hormona reconocida por el dominio extracelular, provoque un cambio conformacional en el dominio intracelular y esto desencadene una cascada de señales intracelulares que alteren la fisiología celular, incluso la expresión génica.

Esquema de las principales formas de proteínas periféricas: integrales y asociadas. De izquierda a derecha: proteínas que tienen una parte de su secuencia de aminoácidos inserta en una de las monocapas de la membrana, proteínas que están unidas covalentemente a azúcares de los glucolípidos, proteínas que tienen ácidos grasos unidos covalente, lo que les permite insertarse en la zona hidrófoba de la membrana. Proteínas que interactúan eléctricamente con las cabezas de los lípidos; y proteínas que interactúan con los dominios extramembrana de proteínas transmembrana. (Modificado de Alberts et al., 2002)

Hay proteínas integrales que forman parte de la membrana pero que no son transmembrana. Un tipo son aquellas que poseen parte de su secuencia de aminoácidos integrada entre los lípidos de una de las monocapas de la membrana, y por tanto tienen un dominio extramembranoso que puede ser citosólico o extracelular, según en que monocapa de la membrana estén integradas. Otro tipo de proteínas integrales, no transmembrana, son aquellas que se encuentran ancladas por enlaces covalentes a moléculas de la membrana, como puede ser un ácido graso. En este caso toda la secuencia de aminoácidos es extramembranosa, pudiendo ser citosólica o extracelular. En este tipo podemos también incluir a las proteínas que están unidas covalentemente a los glúcidos de los lípidos. A las proteínas que no son transmembrana se les puede llamar también periféricas puesto que sólo están relacionadas con una monocapa. Las proteínas periféricas Incluyen también a las proteínas asociadas (ver más abajo).

Proteínas asociadas

Las proteínas asociadas a las membranas plasmáticas son aquellas que no forman parte permanente de las membranas, es decir, no son proteínas integrales, y su unión a la membrana se produce por interacciones eléctricas con moléculas de la propia membrana (fuerzas de van der Waals). Estas asociaciones son más lábiles y las proteínas pueden abandonar la membrana con cierta facilidad. Son proteínas hidrosolubles.

La estructura de la membrana celular, es decir, cómo se organizan las moléculas que la componen, ha ido en paralelo con el descubrimiento de dichas moléculas y sus propiedades, así como con el avance de las técnicas experimentales en los laboratorios. Inicialmente se pensaba que las células estaban delimitadas por una capa terminal de características desconocidas, que se describía como un límite del protoplasma.

La primera propuesta sobre la composición de la membrana fue hecha por Overton en 1895. Observó que las moléculas de naturaleza lipídica entraban más fácilmente en las células que las hidrofílicas por lo que intuyó que debía existir una barrera o cubierta lipídica delimitando a la célula. Incluso llegó a proponer que estaba compuesta de colesterol y otros lípidos.

Principales propuestas y años aproximados en los que fueron hechas (modificado de Edidin 2003).

Más tarde, Inving Langumir descubrió que los lípidos anfipáticos, con una parte hidrófoba y otra hidrofílica, que se disponían en las superficies acuosas formando monocapas con las cabezas polares hacia la parte acuosa. Es decir, formaban una membrana. Esta idea fue importante para interpretaciones posteriores de la membrana celular puesto que la célula poseía estos lípidos anfipáticos en forma de glicerofoslípidos y esfingolípidos. En torno a 1925, Gorter y Grendel, querían saber cuántos lípidos había en los eritrocitos. Se encontró que los lípidos extraídos de la membrana de los glóbulos rojos, los cuales sólo tienen la membrana plasmática, formaban una monocapa en la superficie de soluciones acuosas con un área que era el doble de la superficie estimada de la membrana del propio glóbulo rojo. Parece ser que se cometieron muchos errores cuantitativos en estos experimentos, pero, por suerte, unos compensaron a otros y el resultado final les llevó a proponer que los glicerofosfolípidos se organizaban formando una bicapa lipídica con las cabezas polares hacia la solución acuosa, intracelular y extracelular, respectivamente, mientras que sus partes hidrófobas quedaban recluidas en su interior, a salvo del ambiente acuoso. Habían propuesto el modelo de bicapa lipídica de la membrana celular que explicaba tanto sus características físicas como químicas, y que además era termodinámicamente favorecida. Esta disposición se ajustaba más o menos al grosor de la membrana de 4 nm, estimado por Fricke en 1920-1930 tras medir la capacitancia de la membrana. Este modelo de bicapa lipídica fue la base para futuros ajustes y reformulaciones de organización de la membrana celular.

En la década de 1930 nuevos experimentos aportaron datos acerca de las propiedades mecánicas de las membranas, los cuales no podían ser explicados simplemente con la participación de los lípidos. éstos incluían tensión superficial, permeabilidad de solutos y resistencia eléctrica. Por ejemplo, encontraron que algunas moléculas podían cruzar las membranas más fácilmente de lo esperado por sus características químicas, lo cual implicaba que tenían algún tipo de ayuda. Así que se introdujo a las proteínas como parte de las membranas y como responsables de esos nuevos datos experimentales. Davidson y Danielli propusieron un modelo trilaminar de la membrana incorporando a las proteínas a la bicapa lipídica. Colocaron a las proteínas recubriendo la bicapa lipídica, es decir, tapizando ambas superficies.

Principales modelos de organización de la membrana celular (modificado de Becker et al., 2003).

Hasta que se pudieron observar las primeras muestras biológicas con el microscopio electrónico nadie pude asegurar como estaba estructurada la membrana celular. Esto ocurrió en los años 1950. El modelo trilaminar de Davidson y Danielli se vio reforzado por las imágenes de microscopía electrónica que se obtuvieron en los años 50, 60 y 70 del siglo pasado, en las cuales las membranas aparecían como tres líneas: dos líneas oscuras, separadas por una zona clara. Esta imagen se observó en todas las membranas de la célula y en todas las células estudiadas. Por ello, a esta organización oscuro-claro-oscuro se le denominó unidad de membrana, y se consideró universal para cualquier membrana celular. En esta época se midió el espesor de la membrana, 6-8 nm y Robertson propuso que la zonas oscuras correspondían a las proteínas y partes hidrofílicas y la zona central clara a las cadenas de lípidos.

Sin embargo, en esos mismos años también se propuso que algunas proteínas podrían incluso cruzar la membrana actuando como poros. Esto fue debido a que a medida que mejoraron las técnicas de separación de tipos de membrana se pudieron estudiar por separado sus composiciones químicas y se comprobó que era muy variable. Por ejemplo, había membranas con una tasa de lípidos respecto a las proteínas que podía variar desde el 50% al 80%. Por otro lado, muchas proteínas de membrana eran muy insolubles por lo que no se explicaba que fueran sólo periféricas en medio acuoso. Es decir, las proteínas no podían ser sólo periféricas, sino que deberían formar parte de la membrana con una porción de su cadena de aminoácidos localizada entre las cadenas de ácidos grasos y otras porciones hidrofílicas saliendo por ambos lados de la membrana. En la década de los 70 del siglo pasado dos líneas de investigación llegaron a esta conclusión: imágenes obtenidas con criofractura en las cuales se podían ver partículas insertas en la bicapa de lípidos, que no podían ser más que proteínas y los experimentos de estudio de moléculas en los que se podía distinguir entre dos partes de la misma moléculas, una era intracelular y la otra extracelular, lo que sólo podía explicarse si dicha molécula atravesaba completamente la membrana plasmática.

En 1972, Singer y Nicolson (Science 175: 720-731), propusieron el modelo de mosaico fluido de membrana para incorporar todos estos datos nuevos (ver figure 1 de Nicolson 2014). Proponen que las membranas están formadas por proteínas embebidas en una bicapa lipídica. Las proteínas se incorporan a la bicapa y tienen dominios intra y extracelulares. Esto es importante porque establece una vía de comunicación entre el interior y el exterior celular, bien mediante la creación de canales hidrofílicos, bien como elementos transportadores que permiten salvar la barrera de cadenas de ácidos grasos, o bien como receptores que transmiten la información mediante cambios de conformación de la propia estructura molecular frente a señales. A este modelo se le incorporaron posteriormente las proteínas periféricas, tanto las unidas convalentemente a la membrana como las asociadas mediante enlaces eléctricos. El término fluido fue otro gran avance conceptual y se propuso como consecuencia de los datos aportados por trabajos previos. McConell y Chapman realizaron experimentos de resonancia magnética en los que se mostraba que las moléculas de las membranas, tanto lípidos como proteínas, no estaban estáticas sino podían moverse lateralmente en la bicapa por difusión, con lo cual la membrana se transformó en una estructura dinámica y maleable. Incluso en estos experimentos se sugirió que la membrana es asimétrica, es decir que la monocapa citosólica tenía una composición diferente a la monocapa externa.

Este modelo de mosaico fluido ha explicado los datos experimentales conseguidos con otras técnicas actuales. Así, con la llegada de los marcajes selectivos de moléculas y su observación con microscopía de fluorescencia se pueden observar moléculas individuales en membranas íntegras y en condiciones más o menos fisiológicas. Se puede comprobar que las moléculas no están fijas en una posición sino que pueden moverse por la bicapa lipídica. Mediante espectroscopía cuantitativa se ha observado que los movimientos son sobre todo laterales, es decir, desplazamientos como si la molécula estuviera flotando en la bicapa lipídica, pero las inversiones o cambios de una monocapa a la otra de la membrana son muy infrecuentes.

Modelo de membrana heterogénea, indicando las principales causas de esa heterogeneidad .

Actualmente, el modelo se ha ido modificando y ajustando a los nuevos datos experimentales. Por ejemplo, mediante el seguimiento del movimiento de moléculas en células in vivo, y posteriormente in vitro, se ha encontrado que los movimientos de las moléculas no son completamente al azar, es decir, hay restricciones al movimiento. Estas restricciones son evidentes para las proteínas, pero más recientemente también se han encontrado restricciones a los lípidos, afectando principalmente a los glicerofosfolípidos y al colesterol. Así, la membrana se ajusta al modelo de mosaico fluido en que las moléculas tienden a difundir lateralmente de forma libre, pero ese movimiento puede estar sometido a restricciones. Las restricciones a la movilidad de las moléculas de la membrana se agrupan en tres categorías: dependientes de las interacciones físico-químicas entre las propias moléculas, de las interacciones con el citoesqueleto o con la matriz extracelular y dependientes de las propiedades físicas de la propia membrana, fundamentalmente grosor y curvatura. Estas restricciones hacen que la membrana no sea homogénea sino que las moléculas se distribuyan y agrupen en áreas de la superficie celular para formar los denominados dominios de membrana. Estos dominios tendrían una composición molecular característica que le permitirían llevar a cabo diferentes funciones. Por tanto el modelo de membrana actual está basado en el modelo de mosaico fluido, pero curiosamente, la posibilidad de difusión de las moléculas no produce una homogeneidad química de la membrana sino todo lo contrario, una heterogeneidad de dominios distribuidos por toda la extensión de la membrana. Cada uno de estos dominios puede variar su posición, su número, su tamaño, aparecer y desaparecer en intervalos de tiempo cortos, y todo ello según las necesidades funcionales de la célula. La fluidez, paradójicamente, favorece la formación y la dinámica de estos dominios.