Temas 3 y 4: Membrana plasmática, papeles fisiológicos:

La membrana plasmática es una capa muy delgada que envuelve la célula. Una de sus caras está en contacto con el medio extracelular y la otra con el citosol o hialoplasma. Es un filtro altamente selectivo, que mantiene la diferencia de concentraciones entre el medio externo e interno, permite que entren los nutrientes en el interior y que los productos de desechos salgan.

1-. Estructura:

No puede verse al microscopio óptico, se necesita la microscopia electrónica para ver la bicapa. Se observan dos láminas densas u oscuras de 20 A de espesor, una orientada hacia el medio extracelular y otra al interior, separadas por una banda clara de 35 A. Existen asimetrías, debidas fundamentalmente a la presencia del glucocalix en el exterior.

2-. Composición química:

En 1972, Singer y Nicolson denominaron a la membrana plasmática como mosaico fluido.

Todas las membranas biológicas están compuestas por lípidos formando una bicapa y proteínas. Esto se pone en manifiesto con el experimento de la criofractura, fractura de la membrana una vez congelada.

A-. Lípidos: (40-60%)

Todas las moléculas lipídicas son anfipáticas, tienen dos polos, uno hidrófilo hacia el exterior y otro hidrófobo hacia el interior. Por ello su disposición es una barrera casi impermeable a moléculas hidrosolubles.

En medio acuoso forman la bicapa, se agrupan, se ensamblan y esconden las colas hidrófobas, presentando las cabezas al medio acuoso.

Los lípidos se mueven con gran soltura y fluidez por la membrana (flexión, rotación, difusiones laterales). Suelen girar y desplazarse dentro de la monocapa, y excepcionalmente pasar de una a otra (Flip- Flop). Esta fluidez está condicionada por: la cantidad de colesterol, que fija las moléculas, pero a bajas temperaturas impide la inmovilidad por congelación, el tamaño de las colas hidrocarbonadas, cuanto mayores son, hay más interacciones y menos fluidez, los enlaces dobles, que causan el efecto torbellino, y la temperatura, directamente proporcional a la fluidez.

Hay tres tipos de lípidos, los fosfolípidos (60 %), el colesterol (25%), en proporción 1 a1con los fosfolípidos y los glucolípidos (5%, generalmente esfingomielina unida a oligosacáridos, que siempre se encuentran en el exterior y varían mucho de una especie a otra e incluso en la misma especie. Hay dos tipos, galactocerebrósidos y gangliosidos, según el glúcido que los forma.

B-. Proteínas: (50- 70%)

Numerosas y muy variadas, hay varios tipos. Las transmambranales y las integrales, unidas a los lípidos de la membrana, y las periféricas, unidas a otras proteínas por enlaces no covalentes, y se encuentran en el exterior o interior.

Se pueden difundir por la bicapa, como se comprueba al producir células híbridas de ratón y humano, y colorear de forma diferente a las proteínas. Al cabo de un rato están mezcladas.

Desempeñan las funciones el la membrana.

*Balsas lipídicas: zonas menos fluidas donde se ejercen más funciones. Hay más proteínas y se acumulan las esfingomielinas, el colesterol y los glucolípidos.

C-. Glucolípidos: (2-10%)

Los glucolípidos y las glucoproteínas recubren a la célula formando el glucocalix. Las glucoproteínas son más abundantes, y pueden presentar más de una ramificación de glúcidos, mientras que los glucolípidos sólo una.

Los glúcidos que se presentan son glucosa, galactosa, manosa, glucosamina y ácido siálico. Este se encuentra en los extremos y es el responsable de la carga negativa.

La función del glucocalix es la de proteger a la célula de posibles daños y el reconocimiento celular de estas cadenas carbohidratadas.

3-. Propiedades de la membrana:

A-. Autoensamblaje y autosellado: cuando los fosfolípidos se encuentran en medio acuoso, y al ser hidrófobos en la parte de la cola, tienden a autoensamblarse y a cerrarse sobre sí mismos.

B-. Fluidez: la bicapa lipídica es fluida, ya que los fosfolípidos pueden moverse libremente y raramente pasar de una monocapa a otra. También pueden rotar sobre sí mismos.

C-. Asimetría: algunos fosfolípidos son distintos en la monocapa externa y en la interna, pero esta asimetría está producida mayormente por el glucocalix.

D-. Permeabilidad de la membrana.

4-. Fisiología de la membrana:

A-. Entrada y salida de sustancias:

La célula debe hacer numerosos intercambios con el medio externo, que dependen de la forma, carga y naturaleza de la sustancia. Pasan libremente las moléculas pequeñas hidrófobas, y las moléculas pequeñas polares y no cargadas.

No pasan las grandes moléculas polares y no cargadas y los iones.

• Transporte de moléculas pequeñas:

La velocidad de transporte varía según una serie de cualidades. Si no tenemos en cuenta las proteínas, las moléculas más veloces serán las más pequeñas, hidrófobas y menos cargadas. Las moléculas cargadas no pasan por la bicapa por pequeñas que sean.

Las proteínas de transporte atraviesan completamente la bicapa, así que la sustancia no entra en contacto con el componente hidrófobo.

a-. Transporte pasivo:

No consume energía, y es a favor del gradiente de concentración. Puede ser por difusión simple, directamente a través de la bicapa, o por difusión facilitada, para la que se necesitan proteínas reguladas por ligando o por voltaje, o permeasas que se unen a las moléculas, dando lugar a un cambio conformacional que la ayuda a entrar.

b-. Transporte activo:

En contra del gradiente de concentración, se necesita aporte energético procedente de la hidrólisis del ATP. Un ejemplo es la bomba de sodio-potasio, que bombea tres iones de Na hacia fuera y dos de K hacia dentro.

• Transporte de macromoléculas y partículas:

Se utilizan dos procesos, el de endocitosis y el de exocitosis. Son respuestas localizadoras de la membrana plasmática. Las partículas atraviesan límites celulares rodeados de membrana formando vesículas y con gasto de energía.

Ambos procesos se pueden producir de dos maneras: de forma constitutiva, continuamente y no necesitan ninguna señal, y de forma regulada, controlada por señales o por un estímulo exterior.

a-. Exocitosis:

Eliminación de los desechos celulares procedentes de la digestión celular. Estas sustancias se segregan en vesículas, que se adhieren a la membrana, se fusionan a ella y salen las sustancias de desecho.

b-. Endocitosis:

Puede ser por alimentación en los animales inferiores o por destrucción de sustancias perjudiciales en los superiores.

La sustancia se aproxima a la membrana, y queda adherida a ella hasta que se forma una vesícula, endosoma. Hay dos tipos de endocitosis, la fagocitosis, la sustancia que se ingiere es sólida, y pinocitosis, la sustancia está disuelta.

También se puede clasificar en específica, las sustancias se unen a proteínas receptoras exclusivamente, y no específica, la sustancia que penetra lo hace en relación con la concentración de ésta en el medio intracelular.

B-. Recepción y transducción de señales:

En los organismos pluricelulares, es necesaria la comunicación entre células de un mismo tejido, y se puede dar de tres formas diferentes:

Mediante señalización remota, moléculas segregadas por células alejadas, compuestos químicos que transportan señales.

Mediante contacto por moléculas unidas a la membrana plasmática: una molécula señal que se encuentra en la membrana plasmática e influye a la otra mediante contacto físico.

Mediante uniones GAP: una especie de túnel con dos salidas, por donde se intercambian las moléculas.

*Comunicación intracitoplasmática: la partícula atraviesa la membrana y encuentra su receptor en el citoplasma.

• Receptores de membrana plasmática:

Los receptores espeícifos se unen con gran afinidad a la sustancia mensajera y traducen el mensaje en una o varias señales. En la membrana plasmática se forma un complejo receptor- ligando, que emite una señal, y ésta desencadena una serie de respuestas. Hay tres tipos de receptores:

Relacionados con canales iónicos: regulados por neurotransmisores que se cierran y se abren brevemente en respuesta a la unión del neurotransmisor. Las proteínas son transmembranas homólogas y atraviesan la membrana varias veces.

Relacionados con enzimas: pueden actuar directamente o estar asociados a otras enzimas. Atraviesan la membrana una sola vez. Fuera está el lugar para el ligando y dentro la zona catalítica. Generalmente son quinasas.

Relacionados con proteínas G: actúan indirectamente o regulan la actividad de una enzima o bien de un canal iónico. La integración entre el receptor y la proteína diana está regulada por la proteína G. Se forman cadenas.

La activación y desactivación es muy rápida, cuando el ligando desaparece se inactiva, cuando media con una enzima puede activar la concentración de una o más moléculas pequeñas y cuando media con un canal iónico puede alterar la permeabilidad de la membrana.

Estas proteínas son muy complejas y pueden atravesar hasta 7 veces la membrana.

C-. Reconocimiento celular y de la matriz extracelular:

Interviene directamente el glucocalix, el reconocimiento se lleva a cabo por las cadenas de glúcidos. En los vertebrados, el reconocimiento está mediado por dos familias de glucoproteínas de la superficie celular: dependientes del calcio: cadherinas, uniones fuertes entre células adyacentes, e independientes del calcio, inmunoglobulinas que regulan finamente la adhesión celular.

D-. Anclaje del citoesqueleto.

E-. Biogénesis:

Los constituyentes de la membrana plasmática están en permanente regeneración. Los lípidos, y en especial los fosfolípidos se regeneran en el R.E. liso, las proteínas transmembranosas y periféricas externas en ribosomas asociados al R.E.R , y las periféricas internas en ribosomas libres. Los glúcidos comienzan su síntesis en el R.E y maduran en el A. Golgi.