Atlas de histología vegetal y animal

La célula. 3.Membrana celular 

TRANSPORTE

Las membranas suponen una barrera a la libre difusión de iones y moléculas cargadas eléctricamente. Sin embargo, muchas de esas moléculas son esenciales para la célula. Pensemos, por ejemplo, en la glucosa o en los iones que crean gradientes electroquímicos. Como dijimos en apartados anteriores la creación de gradientes entre ambos lados de la membrana es necesaria puesto que se usan en muchos aspectos de la fisiología celular. Pero para que estos gradientes sean útiles es necesario que la célula pueda crearlos, regularlos y romperlos cuando lo necesite. En la membrana existen unas proteínas especializadas tanto en el transporte de moléculas necesarias para el metabolismo como en la creación y modificación de los gradientes electroquímicos. Son proteínas integrales que se agrupan en tres tipos: bombas, transportadores y canales.

Ejemplos de proteínas que permiten el transporte de iones, denominadas bombas. El primer ejemplo (más a la derecha) es un complejo de la cadena respiratoria de las mitocondrias. A continuación una bacteriorodopsina, que usa la luz visible para mover protones a través de la membrana y por último , una bomba que intercambia sodio y potasio, ayudando a establecer los gradientes de estos iones en la membrana plasmática. (Modificado de Alberts et al., 2002).

Las bombas son proteínas integrales que transportan iones o moléculas de un lado al otro de la membrana en contra de sus gradientes de concentración, con gasto de energía. La energía la pueden obtener de diferentes fuentes: de la luz, de reacciones de óxido-reducción o de la hidrólisis del ATP, que es lo más frecuente. Las bombas son creadoras de gradientes puesto que transforman energía química o electromagnética (luz) en gradiente electroquímico que luego será usado para otras necesidades celulares, como veremos más adelante. No existe una gran diversidad molecular de bombas y se pueden clasificar en: a) Usan la luz como fuente energética. Por ejemplo, la bacteriorodosina utiliza a la luz para crear un gradiente de protones en las membranas de algunos procariotas. b) Utilizan potenciales de óxido-reducción para crear gradientes. Los complejos de las cadenas de transporte de electrones de las mitocondrias aprovechan cambios de óxido-reducción para mover protones desde la matriz al espacio intermembranoso, entre las dos membranas. c) Usan ATP como fuente de energía. Dentro de este grupo hay varios tipos. Las hay que introducen protones en los orgánulos, como las presentes en las membranas de los lisosomas que producen pH ácidos para permitir la degradación de moléculas. A este grupo también pertenecen las ATPasas de las mitocondrias y de los cloroplastos que realizan el proceso contrario, utilizan un gradiente de protones para sintetizar ATP. Aunque también pueden consumir ATP para producir un gradiente de protones. Otro tipo de bombas que utilizan ATP transportan iones de un lado a otro de la membrana. Una de las más importantes es la ATPasa de Na⁺/K⁺, responsable de la creación de los gradientes iónicos de las membranas plasmáticas y que permite la excitabilidad de las neuronas, de las células musculares, la absorción de los alimentos por las células del aparato digestivo, etcétera. Nos podemos hacer una idea de la importancia de estas bombas Na⁺/K⁺ en las células animales sabiendo que consumen hasta el 25 % del total del ATP celular. A este grupo pertenecen también las bombas que transportan cationes como el calcio, por ejemplo la que se saca calcio del retículo endoplasmático de las células musculares en cada contracción muscular. Por último tenemos los bombas denominadas ABC que usan ATP para mover una gran variedad de moléculas entre ambos lados de la membrana. Aparecen en todas las células conocidas y son capaces de transportar una gran variedad de sustratos que van desde iones, monosacáridos, aminoácidos, hasta poliscáridos y polipéptidos.

Esquema de los distintos tipos de transporte llevado a cabo por los transportadores. Pueden ser uniporte si transportan una sólas molécula a favor de gradiente. También hay transportadores que cotransportan dos moléculas distintas aprovechando el gradiente de concentración de una de ellas. Si las dos viajan en un mismo sentido tenemos un cotransporte simporte y si lo hacen en sentido contrario antiporte (Modificado de Alberts et al., 2002).

Los transportadores son proteínas integrales que usan gradientes electroquímicos para mover moléculas entre ambos lados de la membrana. Este tipo de movimiento se denomina difusión facilitada: difusión porque es un movimiento pasivo generado por el gradiente electroquímico existente y facilitada puesto que es el transportador el que la permite. Los transportadores son muy numerosos, más de 100 familias, y aparecen en todas las membranas de la célula. El mecanismo de transporte supone un reconocimiento de la molécula o moléculas a las que van a transportar y un cambio conformacional del transportador que posibilita el trasiego de las moléculas entre ambos lados de la membrana. El transporte puede ser de distintos tipos. El transporte uniporte supone mover una molécula a favor de su gradiente de concentración. Elcotransporte permite la translación simultánea de dos moléculas entre ambos lados de la membrana. Si el sentido en el que viaja una moléculas es contrario al de la otra se denominaantiporte y si las dos moléculas viajan en el mismo sentido se denomina simporte. En los movimientos de cotransporte uno de las moléculas suele viajar a favor de gradiente de concentración y utiliza esa fuerza para mover a la otra molécula que viaja en contra de su gradiente de concentración. Por ejemplo, las células cardiacas utilizan el transportador Na⁺/Ca²⁺ para sacar calcio en contra de gradiente desde el citosol hacia el exterior celular aprovechando el gradiente de Na⁺, que siempre es mayor fuera de la célula que en el citosol. Los transportadores que realizan antiporte suelen intercambiar elementos parecidos: catión por catión, anión por anión, azúcar por azúcar, etcétera. Sin embargo, en el simporte se pueden transportar moléculas diferentes. Por ejemplo, en las células intestinales se emplea el gradiente de Na⁺ para incorporar D-glucosa.

Los canales iónicos son conductos hidrofílicos que permiten el paso de iones a favor de gradiente de concentración. Pueden ser canales dependientes de voltaje cuando su apertura o cierre están regulados por el potencial de la membrana o dependientes de ligando cuando es el reconocimiento de una molécula, por ejemplo un neurotransmisor, lo que provoca su apertura. (Modificado de Alberts et al., 2002).

Los canales son proteínas integrales que crean poros o conductos hidrofílicos que comunican ambos lados de la membrana. Tienen la propiedad de poder abrir o cerrar dicho conducto según ciertas condiciones. Su principal función es regular los gradientes iónicos entre ambos lados de la membrana, por tanto alterar el potencial eléctroquímico de ésta, hecho que se transformará en información para la célula. También son necesarios para la secreción o absorción de sustancias como ocurre en el riñón. En cualquier caso es siempre un transporte pasivo puesto que los iones siempre viajan a favor de gradiente de concentración y la selección de los iones por los distintos tipos de canales depende del diámetro del canal hidrofílico. Hay una gran diversidad de canales: canales de sodio, de potásio, de calcio, de cloro, de agua (acuaporinas), etcétera. Como hemos dicho, la apertura o cierre del canal puede modularse. Si cambia con la variación del potencial electroquímico de la membrana se denominan canales dependientes de voltaje. También pueden modularse por la unión de ligandos o por modificaciones covalentes, por ejemplo por fosforilación. Realizan funciones trascendentales para el organismo como la excitabilidad neuronal, contracción muscular, prevención de la poliespermia temprana (evitar que más de un espermatozoide se una a un ovocito), etcétera.

ADHESIÓN

Las integrinas son las moléculas más importantes en la adhesión de la célula a la matriz extracelular. Las integrinas son una gran familia de proteínas presentes en prácticamente en todos los animales. Son proteínas transmembrana formadas por dos subunidades (alfa y beta). En mamíferos hay 18 unidades alfa y 3 unidades beta que por combinaci&oacue;n pueden formar hasta 24 integrinas diferentes, las cuales se expresan según el tejido o estado fisiológico de la célula. Cada tiene 3 dominios moleculares: un dominio intracelular que contacta con el citoesqueleto, filamentos de actina, otro extracelular globular que es capaz de unirse al colágeno, fibronectinas y lamininas, y un dominio transmembrana entre las cadenas de ácidos grasos de la membrana. Su capacidad de unirse a moléculas de la matriz extracelular y al citoesqueleto permite una continuidad estructural mecánica entre el interior y exterior de la célula. Pero además permite modificar el comportamiento celular en función de las moléculas presentes en la matriz extracelular. Esto es posible porque el estado de adhesión de la integrina se transmite a su dominio citosólico, el cual interactúa con proteínas que son capaces de viajar al interior del citoplasma para afectar a rutas moleculares o viajar al interior del núcleo para alterar la expresión génica. También la célula puede modificar su capacidad de adhesión, y por tanto su movilidad, cambiando el juego de proteínas receptoras en su superficie^☆.

(Modificado de Luo et al., 2007)

Las integrinas suelen aparecer asociadas en la membrana plasmática formando las denominadas adhesiones focales y también a los hemidesmosomas.

Principales proteínas transmembrana que realizan contactos célula-célula (Modificado de Hynes, 1999) 

Proteínas transmembrana que unen una célula a otra célula.

Estas moléculas se encargan de adherir directamente unas células a otras. Hay cuatro tipos: cadherinas, inmunoglobulinas, selectinas y algunos tipos de integrinas. Las cadherinas se encuentran en la superficie de la mayoría de las células animales y forman uniones homotípicas, es decir, reconocen a otras cadherinas en la célula adyacente. Son una gran superfamilia de proteínas cuyos miembros suelen aparecer característicamente en ciertos tejidos. Así, la N-cadherina se expresa en el tejido nervioso, la E-cadherina en el tejido epitelial, etcétera. Es por ello que juegan un papel importante en la segregación de poblaciones celulares de los distintos tejidos. Son especialmente importantes durante el desarrollo embrionario. Las cadherinas son parte estructural de los demosomas en mancha (macula adherens). Las moléculas de adhesión del tipo inmunoglobulina, también llamadas CAM (cell adhesion molecule) forman uniones homofílicas con inmunoglobulinas presentes en la célula adyacente, aunque también pueden realizar uniones heterofílicas con otro tipo de moléculas. Es también una gran familia de proteínas con distribución específica de sus miembros en los distintos tejidos. Por ejemplo, N-CAM aparece en el sistema nervioso. Sus uniones no son tan fuertes como las de las cadherinas y parece que actúan ajustando de forma más fina la asociación entre células de un mismo tejido. Las selectinas son también proteínas de adhesión entre células, pero forman uniones heterofílicas, es decir, se unen a glúcidos presentes en la célula vecina. Esto es gracias a que poseen un dominio que tiene apetencia por determinados azúcares (ácido siálico y fucosa). Son importantes en la unión de los glóbulos blancos a las paredes del endotelio cuando abandonan el torrente sanguíneo para adentrarse en los tejidos. Las integrinas, que antes vimos como moléculas que median la adhesión de las células a la matriz extracelular, también pueden mediar adhesiones célula-célula. En concreto, algunas integrinas pueden formar uniones con algunas moléculas transmembrana del tipo de las inmunoglobulinas.