Atlas de histología vegetal y animal

ASIMETRÍA, FUSIÓN, REPARACIÓN.

Asimetría

Las membranas celulares son una bicapa lipídica con dos hemicapas. En las membranas de los orgánulos y en la plasmática existe una hemicapa orientada hacia el citosol y otra orientada hacia el interior del orgánulo o al exterior celular, respectivamente. La composición en lípidos, glúcidos y proteínas periféricas es distinta en ambas hemicapas. Además, las proteínas transmembrana tienen una orientación precisa. Esta desigual distribución de moléculas en ambas hemicapas se conocía incluso antes de formularse el modelo de mosaico fluido de la membrana en 1972.

La generación y mantenimiento de esta asimetría es esencial para la célula. En la membrana plasmática, la hemicapa orientada hacia el exterior contiene una mayoría de los lípidos que poseen colina, como la fosfatidicolina y la esfingomielina, mientras que la fosfatidiletanolamina, fosfatidilinositol y la fosfatidilserina se localizan en la hemicapa interna. Esto es interesante porque crean una distribución diferente de cargas entre ambas superficies de la membrana, que contribuye al potencial de membrana. Además, facilita la asociación específica de proteínas que necesitan un ambiente eléctrico determinado y que es aportado por la naturaleza química de las cabezas de los lípidos. Otro ejemplo es el lípido fosfatidil inositol, localizado en la hemicapa interna, que al ser modificado por ciertas fosfolipasas se divide en dos moléculas, una de las cuales viaja por el citosol y actúa como segundo mensajero. Además, los glúcidos se localizan preferentemente en la hemicapa externa de la membrana plasmática, como veremos más adelante. También son importantes las propiedades físicas que tal asimetría aporta a las membranas y parece que la composición de la hemicapa citosólica facilita la formación de vesículas hacia el citosol, es decir, se curva más fácilmente hacia el citosol.

La rotura de la asimetría de la membrana conlleva cambios celulares, generalmente patológicos. Así, durante la apoptosis o muerte celular programada, los lípidos de la hemicapa interna de la membrana citoplasmática son expuestos en la hemicapa externa, son reconocidos entonces por los macrófagos y la célula es fagocitada.

¿Dónde se produce la asimetría? La asimetría de las proteínas se produce durante su síntesis en el retículo endoplasmático, aunque las proteínas asociadas a la cara citosólica se sintetizan en el citosol. La distribución asimétrica de los lípidos se produce principalmente en el aparato de Golgi y en otros compartimentos celulares, excepto el retículo endoplasmático, donde hay una distribución simétrica en las dos hemicapas. Esta asimetría se mantiene por la infrecuencia de los saltos de los lípidos entre hemicapas (movimiento "flip-flop"). La distribución de glúcidos, localizados sobre todo en la hemicapa externa de la membrana plasmática, se produce en el retículo endoplasmático y en el aparato de Golgi.

En el caso de los lípidos existen transportadores específicos que salvan la dificultad de trasladarse de una hemicapa a la otra (flip-flop). Hay tres tipos: flipasas, flopasas y mezcladoras ("scramblases"). Estas proteínas se encargan de transportar lípidos entre hemicapas. Las flipasas hacia la hemicapa interan, las flopasas hacia la hemicaa externa y las mezcladoras en ambas direcciones.

Rotura y fusión

Una de las propiedades más útiles de las membranas para la célula es la capacidad de ser rotas y volver a ser fusionadas. Ello permite que los compartimentos intracelulares puedan ser tremendamente plásticos, es decir, dividirse, fusionarse, pueden formar vesículas membranosas en un compartimento que viajan a otro con el que se fusionan, etcétera. Ésta es la base del transporte de moléculas entre compartimentos membranosos que veremos en apartados posterirores, denominado transporte vesicular. Esta característica de las membranas es también necesaria durante la etapa de la mitosis denominada citocinesis donde la membrana citoplasmática debe crecer en superficie, romperse y luego fusionarse para formar dos células hijas independientes. Realmenteestos procesos de rotura y de fusión de membranas están gobernados por las proteínas, entre las que se destacan las SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment receptor), puesto que la bicapa lipídica es muy estable.

Reparación

Numerosos procesos naturales o la manipulación experimental de las células provocan la rotura de las membranas celulares. Por ejemplo, en los experimentos de clonación se necesita meter una pipeta, la captación de vectores o ADN supone a veces la poración de las membranas celulares, la propia manipulación supone roturas de membrana. Pero también en los tejidos vivos sometidos a tensiones hay un proceso de rotura de la membrana plasmática, como ocurre frecuentemente en las células musculares. La célula cuenta con mecanismos para evitar que su contenido citoplasmático salga al exterior y se rompan las diferencias entre el medio interno y externo. Esto es letal para la célula si se prolonga más de unos cuantos segundos.

Cuando las roturas de la membrana son pequeñas, menores a unas 0.2 micras, las propiedades moleculares de los lípidos son suficientes para cerrar el hueco (Modificado de McNeil, 2003)

Hay dos maneras de sellar la membrana según el tipo de daño que se produzca. Cuando los daños son pequeños (normalmente menores a 0.2 µm) las propiedades de los lípidos de la membrana son suficientes para repararlos. Ello es debido a que los lípidos en el borde de la membrana adoptan una disposición inestable que fuerza a dichos bordes a encontrarse y a sellarse. La rapidez con que este proceso ocurre depende de la tensión de la membrana, que depende a su vez de los puntos de anclaje, bien al citoesqueleto o a la matriz extracelular. Cuando se produce una rotura entra calcio a favor de gradiente de concentración que hace que el citoesqueleto se desorganice parcialmente en la zona dañada y su efecto sobre la membrana disminuye, se rebaja así la tensión y aumenta la velocidad de resellado.Cuando los daños son grandes (más de 0.2-0.5 µm) los bordes rotos libres de la membrana están demasiado lejos para se que puedan autosellar y se pone en funcionamiento un mecanismo de exocitosis masiva, es decir, fusión de vesículas con la membrana plasmática, aunque en este caso también incluye grandes compartimentos membranosos. El proceso sería el siguiente: la amplia rotura produce una gran entrada de calcio, éste provoca la fusión de compartimentos membranosospróximos al lugar de la rotura creándose un macrocompartimento, el cual terminaría por fusionarse con los bordes de la membrana plasmática. Entre los compartimentos implicados en la fusión estarían los endosomas, los lisosomas, vesículas próximas y otros compartimentos especializados de distintos tipos celulares. Los lisosomas parecen especialmente importantes en este proceso.

Cuando las roturas de la membrana son grandes, más de 0.2-0.5 micras, ocurre una gran entrada de calcio que dispara procesos similares a los de la exocitosis. Los orgánulos próximos son conducidos a la zona del daño, se fusionan entre sí y terminan por fusionarse con la membrana plasmática. (Modificado de McNeil, 2003)

Las células y los tejidos tienen mecanismos para adaptarse a las tensiones mecánicas repetitivas: la matriz extracelular se especializa, aumentan los complejos de unión, aumentan los filamentos intermedios del citoesqueleto, aumenta las dimensiones y el número de compartimentos membranosos celulares, etcétera. En los cultivos celulares se pueden estudiar las respuestas de las células a las tensiones mecánicas. Se ha comprobado que ante un estiramiento del 10-15% las células aumentan su superficie de membrana por fusión de compartimentos internos. Esto ocurre normalmente en las células de la vejiga urinaria,que sufren grandes variaciones de tensión. Cuando las células en cultivo son estiradas dos veces, en la segunda se produce una reparación más rápida que en la primera. Se observa que la cantidad de vesículas producidas por el aparato de Golgi es mayor de lo normal, por lo que la célula puede responder con mayor eficacia. La sujeción de la células a la matriz extracelular también se ve reforzada. Así, las proteínas del citoesqueleto y de la matriz extracelular se incrementan en número para adaptarse a las tensiones mecánicas repetitivas.

SÍNTESIS

El origen de las moléculas que forman parte de las membranas lo trataremos con más detalle cuando hablemos de los orgánulos que las producen. Así, la síntesis de lípidos se estudiará cuando hablemos del retículo endoplasmático liso, la de las proteínas cuando nos centremos en el retículo endoplasmático rugoso y los glúcidos cuando abordemos el aparato de Golgi. Asimismo, en el apartado dedicado a cada orgánulo membranoso de la célula estudiaremos cómo y de dónde proceden las moléculas que lo forman. Aquí haremos una síntesis.

Las membranas están en perpetua renovación, sus moléculas son degradadas y sintetizadas de nuevo continuamente. Mediante marcaje de aminoácidos se ha comprobado que las proteínas de alto peso molecular de la membrana plasmática se renuevan cada 2-5 días, mientras que las de bajo peso molecular lo hacen cada 7-13 días. Los lípidos lo hacen cada 3-5 días. La mayoría de los componentes de las membranas celulares se sintetizan en el retículo endoplasmático. Esto es cierto para las proteínas y para la mayoría de los lípidos, mientras que la mayor parte de los glúcidos son añadidos en el aparato de Golgi. El transporte de estas moléculas desde el retículo endoplasmático o desde el aparato de Golgi hasta su destino final sigue generalmente las rutas del tráfico vesicular, que es aquel que comunica los compartimentos celulares membranosos mediante vesículas.

El retículo fabrica proteínas y lípidos para sí mismo, para la envuelta nuclear, que en realidad es una continuación de las membranas del propio retículo, para el aparato de Golgi, para los endosomas, para los lisosomas, para la membrana plasmática y para las propias vesículas que sirven de transportadores. El retículo también fabrica lípidos para otros orgánulos que quedan fuera de la ruta vesicular como son las mitocondrias y los cloroplastos, los cuales reciben los lípidos gracias a intercambiadores moleculares. Estos intercambiadores son capaces de extraer un lípido de una membrana protegerlo del medio acuoso, viajar por el citosol y soltar su carga en otra membrana. Algunos de los lípidos de los compartimentos que participan en el tráfico vesicular también se transportan de esta forma. Las proteínas de las membranas de las mitocondrias y de los cloroplastos se sintetizan en ribosomas libres en el citosol o son producidas por el propio orgánulo, puesto que estos dos orgánulos contienen ADN, ribosomas y toda la maquinaria para la síntesis proteica.

Merece mencionar como caso aparte a los peroxisomas. Recientemente se ha postulado que son derivados de las membranas del retículo endoplasmático, del que se originarían por evaginación. Sin embargo, es un orgánulo que no recibe ni envía vesículas a otros orgánulos. Además, se ha demostrado que ciertas proteínas producidas por los ribosomas citosólicos forman parte de los peroxisomas. Luego las fuentes de sus moléculas de membrana son variadas.

En el caso de la membrana plasmática la principal fuente de moléculas son las vesículas que se fusionan con ella. Los compartimentos que producen dichas vesículas son principalmente los endosomas y el aparato de Golgi. Pero en última instancia las proteínas y los lípidos que conforman las vesículas son sintetizados en el retículo endoplasmático. Sin embargo, el glucocálix desarrollado presente en algunas células se ensambla principalmente en el aparato de Golgi. La renovación de las moléculas de las membrana plasmática se completa con la formación de vesículas en la propia membrana que viajarán en una serie de pasos hasta los lisosomas donde serán degradadas. A veces las moléculas que se retiran de la membrana por parte de las vesículas son devueltas a ella, de nuevo en forma de vesículas, gracias a un proceso de reciclaje que tiene a los endosomas como compartimento de relevo. Esto hace que la membrana plasmática pueda variar la cantidad y proporción de sus moléculas sin la necesidad de un costoso proceso de degradación y síntesis.