Biomembranas: Estructura, Funciones y Transporte Celular

Las biomembranas son láminas fluidas que separan el interior de la célula de su entorno y definen los orgánulos membranosos: retículo endoplasmático (RE), aparato de Golgi, mitocondrias, cloroplastos, lisosomas, etc. Se comportan como barreras selectivamente permeables. Las membranas celulares son estructuras específicas, no visibles al microscopio óptico (M.O.). En el microscopio electrónico de transmisión (MET) se ven como estructuras trilaminares de 6 a 10 nm de grosor, con dos bandas electrodensas separadas por una electroclara.

Estructura de las Biomembranas

El modelo actual es el del mosaico fluido: la membrana está formada por una bicapa lipídica, que es la estructura básica, y un conjunto de proteínas a ambos lados de la bicapa o inmersas en ella. Estas proteínas son responsables de las actividades específicas de cada biomembrana. La proporción de lípidos y proteínas varía de unas biomembranas a otras.

Estructura y Propiedades de la Bicapa Lipídica

Está formada por: glicerofosfolípidos como componentes más abundantes, glucolípidos y colesterol. Los lípidos de membrana son anfipáticos, lo que les confiere las siguientes propiedades:

• Autoensamblaje: en solución acuosa se autoensamblan espontáneamente para formar bicapas, con los grupos hidrófilos hacia el exterior y los grupos hidrófobos hacia el interior, alejados del agua.
• Autosellado: tienden a cerrarse sobre sí mismas, se autosellan, formando vesículas esféricas sin bordes libres.
• Fluidez: las bicapas lipídicas se comportan como fluidos bidimensionales. En cada monocapa, los lípidos pueden rotar y moverse lateralmente. El paso de una monocapa a otra (flip-flop) no ocurre casi nunca, de ahí que cada capa tenga su propia composición y el conjunto da una asimetría a la bicapa.

Impermeabilidad y Fluidez de la Bicapa Lipídica

El colesterol es un componente de la membrana que da rigidez y resistencia, ya que se intercala entre los fosfolípidos y tiende a mantener fijas las colas hidrofóbicas, lo que disminuye la fluidez.

La membrana es impermeable a moléculas hidrófilas grandes, como glucosa, sacarosa, iones y moléculas cargadas. La fluidez depende de la temperatura; si desciende, aumenta la viscosidad. Las células modifican su composición lipídica en ácidos grasos para contrarrestar la bajada de temperatura, con la síntesis de ácidos grasos más cortos e insaturados.

Proteínas de Membrana

Son componentes de la membrana con funciones específicas. Dan a cada biomembrana sus propiedades funcionales características. Pueden girar alrededor de su eje y tienen difusión lateral.

Tipos según su asociación con los lípidos:

• Proteínas integrales: unión fuerte. Aislables solo rompiendo la bicapa. Atraviesan una (de paso único) o varias veces la membrana (multipaso). Son proteínas de transmembrana. Otras están fuera de la bicapa unidas covalentemente a uno de sus lípidos.
• Proteínas periféricas: a ambos lados de la bicapa. Unión débil a las cabezas polares de los lípidos de la membrana u otras proteínas de membrana, integrales, por interacciones electrostáticas y enlaces de hidrógeno. Aislables sin destruir la bicapa.

Los Dominios de Membrana

Son regiones de las biomembranas especializadas en funciones concretas: captación y liberación de nutrientes, recepción y transmisión de estímulos, etc. En células epiteliales que bordean el intestino existen tres clases de dominios: el apical de la membrana, que se encarga de la captación de nutrientes, y los dominios lateral y basal, que participan en la liberación de estos nutrientes al medio interno.

La Membrana Plasmática

Es la biomembrana que limita y relaciona el interior de la célula con el exterior. Su estructura es similar a la de las otras biomembranas. Exclusivo de la cara externa, presenta una cubierta fibrosa, el glucocálix, formado por oligosacáridos unidos a lípidos (glucolípidos) o a proteínas (glucoproteínas).

Funciones:

• Protección de la superficie celular.
• Filtro de sustancias.
• Procesos de reconocimiento.
• Adhesión celular.
• Permeabilidad selectiva, control de la entrada y salida de sustancias.
• Recibir señales externas y transmitirlas al interior.
• Participar en la constitución de uniones celulares, permitiendo la formación de tejidos y órganos.
• Soporte para el funcionamiento de determinados enzimas.

Permeabilidad Selectiva

Se realiza por medio de mecanismos de transporte específicos, en los que participan activamente las proteínas de membrana.

I. Transporte de Moléculas Pequeñas

Dos tipos: pasivo, si no precisa energía, y activo, si requiere energía.

A. Transporte Pasivo o Difusión

Las moléculas se mueven espontáneamente desde donde están más concentradas hacia donde lo están menos. Es decir, a favor de su gradiente de concentración. En los iones también influye el gradiente eléctrico a ambos lados (potencial de membrana), negativo en el interior con respecto al exterior. Esto favorece la entrada de iones positivos y dificulta la de los negativos. El sentido del flujo de un determinado ión depende de sus gradientes de concentración y eléctrico, o también llamado gradiente electroquímico. La difusión siempre se produce a favor de su gradiente electroquímico.

Naturaleza de las sustancias a pasar a través:

• Lipófilas, solubles en lípidos.
• Hidrófilas, solubles en agua.
• Sin carga, y con carga positiva o negativa.

Dentro de la difusión se pueden distinguir dos tipos:

• Difusión simple: a través de la bicapa lipídica. Moléculas no polares o liposolubles, como gases (O₂, CO₂), hormonas esteroideas y tiroideas. Pequeñas moléculas polares sin carga, como agua, glicerol o urea.
• Difusión facilitada: por medio de proteínas de transporte. Moléculas polares grandes y moléculas con carga eléctrica.

Dos tipos de proteínas:

• Proteínas transportadoras: llamadas permeasas. Son transmembrana y se unen específicamente a la molécula que transportan. Dicha unión cambia su configuración, y la molécula transportada queda libre al otro lado de la membrana, recuperando la proteína su configuración inicial. Son muy selectivas, discriminan entre L-glucosa y D-glucosa, para llevar sólo esta última.
• Proteínas canal o canales iónicos: son transmembrana, con un canal acuoso en su interior por el que pasan los iones, pero solo un tipo de ión, en función de su tamaño y su carga. Suelen tener una región que cierra el canal mientras no reciba la señal adecuada. Los más importantes son: canales dependientes de un ligando, cuya “contraseña” es una sustancia química; y canales dependientes de voltaje, en los que la señal es un cambio en el potencial de membrana.

B. Transporte Activo

Para atravesar la membrana en contra de su gradiente electroquímico. Se realiza mediante proteínas transportadoras y se consume energía obtenida del ATP. Este transporte permite que las concentraciones intra y extracelulares de algunos iones sean muy diferentes.

• Bomba de Na⁺/K⁺: expulsa tres iones Na⁺ e introduce dos iones K⁺, en contra de su gradiente electroquímico. Contribuye a controlar la presión osmótica intracelular y el potencial de membrana (bomba electrógena).
• Bomba de Ca²⁺: la concentración de Ca²⁺ intracelular es mucho menor que la extracelular. Se mantiene así por la existencia de bombas de Ca²⁺ que, a expensas de ATP, extraen Ca²⁺ del citosol en contra de su gradiente. En la membrana del RE también hay estas bombas que introducen Ca²⁺ en la luz del retículo, y así se disminuye su concentración en el citoplasma.

II. Transporte de Macromoléculas y Partículas

Incorporación de macromoléculas y partículas de gran tamaño. Dos procesos básicos: endocitosis (incorporación de sustancias a las células) y exocitosis (secreción al exterior).

A. Endocitosis

Se endocitan englobándose en invaginaciones de la membrana plasmática, formando vesículas intracelulares. Según el tamaño de la célula:

• Fagocitosis: microorganismos o restos celulares. Extensión de pseudópodos que rodean a la partícula hasta formar una vesícula endocítica (≥ 250 nm de diámetro) denominada fagosoma. Luego se fusiona con un lisosoma primario. En animales superiores es un importante mecanismo de defensa contra bacterias y partículas perjudiciales, llevado a cabo por los fagocitos del sistema inmunitario. Ciertos protoctistas lo utilizan para su nutrición.
• Pinocitosis: material líquido o formando pequeñas gotas. Formación de pequeñas vesículas endocíticas (≤ 200 nm diámetro). En zonas específicas de membrana, las fosas recubiertas, que presentan en su cara citoplásmica un material filamentoso, que es una proteína, la clatrina, donde se forman continuamente vesículas de pinocitosis. Participan receptores específicos que reconocen la partícula y se unen a ella. El colesterol se incorpora por pinocitosis. Se sintetiza, sobre todo en el hígado, y se transporta por lipoproteínas. Si se necesita colesterol, la célula sintetiza receptores que sitúa en zonas de poros cubiertos.

B. Exocitosis

Contrario a la endocitosis. Se realiza en todas las células de forma continua para renovar la membrana plasmática, y componentes de la matriz extracelular (secreción constitutiva). También sirve para expulsar hormonas, neurotransmisores o enzimas digestivos hacia el exterior.

Uniones Celulares

Regiones especializadas de la membrana plasmática donde se concentran proteínas especiales, mediante las cuales se establecen conexiones entre dos células o entre una célula y la matriz extracelular. Especialmente importantes en tejidos epiteliales.

Según su función son:

• Las zónulas: uniones que rodean la célula.
  • Zónulas occludens (uniones ocluyentes).
  • Zónulas adherens (uniones de anclaje).
• Las máculas: uniones puntuales, de forma redondeada u oval.
  • Máculas adherens o desmosomas (uniones de anclaje).
  • Hemidesmosomas (uniones de anclaje).
  • Uniones gap (uniones comunicantes).

I. Características de los Distintos Tipos de Uniones Celulares

A. Uniones Ocluyentes

Zónulas occludens en zonas laterales y superiores de células epiteliales, separando medios de composición diferente. Las bandas de proteínas transmembrana de ambas células están en contacto. Su función es cerrar el espacio intercelular entre las células y mantener los dominios apical y basolateral de la membrana plasmática, evitando la difusión de proteínas de membrana.

B. Uniones Comunicantes

Uniones gap, su función es establecer puntos de comunicación directa entre los citoplasmas de células adyacentes, por la que pasan iones y pequeñas moléculas. Las proteínas transmembrana o conexinas forman canales proteicos, los conexones.

C. Uniones de Anclaje

En superficies laterales y basales de las células. En tejidos sometidos a estrés mecánico como el intestino, la piel, el cuello uterino, etc. A través de proteínas transmembrana se conectan los filamentos del citoesqueleto de una célula con los de otra o con la matriz extracelular. Aumentan la resistencia de las células frente a tensiones mecánicas fuertes.

Pueden ser:

• Máculas adherens o desmosomas: anclan los filamentos intermedios del citoesqueleto de células adyacentes.
• Hemidesmosomas: anclan filamentos intermedios del citoesqueleto de una célula a la matriz extracelular.
• Zónulas adherens: conectan los filamentos de actina del citoesqueleto de células adyacentes.

Comunicación Celular

Todas las células son capaces de responder adecuadamente a los estímulos externos. Los mecanismos de comunicación celular son un área de investigación prioritaria, ya que muchos tipos de cáncer se deben a alteraciones en las vías de comunicación celular.

I. Tipos de Comunicación Celular

En función de la distancia recorrida por la molécula señal, desde que es secretada por la célula señalizadora hasta que alcanza la célula diana:

• Comunicación endocrina: las células señalizadoras son células endocrinas y las moléculas señal se transportan por la circulación hasta la célula diana. Ejemplo: hormonas como la insulina, estrógenos, etc.
• Comunicación paracrina: las moléculas señal secretadas actúan localmente afectando solo a células vecinas. Ejemplo: neurotransmisores.
• Comunicación autocrina: la molécula señal secretada actúa sobre las mismas células secretoras. Ejemplo: los linfocitos T estimulados por un antígeno secretan un factor de crecimiento que induce su proliferación.

Matriz Extracelular

Es una compleja red de proteínas y polisacáridos secretados por las células animales que rellena los espacios entre ellas y une entre sí las células y los tejidos, y, por tanto, los órganos.

Funciones:

• Soporte estructural de las células y tejidos.
• Filtro de regulación del paso de moléculas por el medio extracelular.
• Migración celular, la promueve o la inhibe.

Escasa en tejidos epiteliales y muscular, abundante en tejidos de relleno o soporte como conjuntivo, óseo y cartilaginoso.

II. Características de los Componentes de la Matriz

• Proteínas estructurales fibrosas: el colágeno es la más importante y abundante en tejidos animales. Se ensambla con otras formando fibrillas, que se empaquetan formando fibras de colágeno. Son flexibles y muy resistentes a la tracción, aportan resistencia a la matriz. La elastina, con facilidad de cambio de longitud, forma fibras elásticas, y es abundante en órganos que se expanden y contraen, como los pulmones.
• Glucosaminoglicanos: polisacáridos que forman una sustancia gelatinosa, o sustancia fundamental, donde se incluyen los componentes de la matriz. Uno de ellos es el ácido hialurónico. Muchos están asociados a proteínas formando proteoglucanos, con carga negativa, que permiten la retención de agua y su unión a cationes.
• Proteínas de adhesión: facilitan la unión entre los componentes de la matriz y entre estos y las células. La fibronectina se une al colágeno, a los proteoglucanos y a las integrinas (proteínas transmembrana de la membrana plasmática celular).

Citoplasma

El citoplasma es el contenido que se encuentra localizado entre la membrana plasmática y el núcleo. Contiene una fase acuosa o citosol, donde están inmersos una red de filamentos proteicos de diferente grosor, que forman el citoesqueleto, y una gran variedad de estructuras y orgánulos citoplasmáticos.

El Citosol

El citosol, también llamado citoplasma fundamental o hialoplasma, es el medio acuoso en el que se encuentran inmersos los orgánulos membranosos, los ribosomas, y un gran número de enzimas y estructuras como las inclusiones y el citoesqueleto. En él tienen lugar procesos fundamentales para la vida como:

• La síntesis, el plegamiento y la degradación de numerosas proteínas.
• La mayor parte de las reacciones del metabolismo intermedio.

Las Inclusiones Citoplásmicas

Las inclusiones citoplásmicas son materiales almacenados en el citoplasma celular que no están rodeados de membrana y que son demostrables microscópicamente. Las más comunes en células animales son la grasa (almacén de lípidos) y el glucógeno (almacén de azúcares), que aseguran el mantenimiento de los niveles de ATP.

• Glucógeno: polímero de glucosa. Al MET se presenta en forma de pequeños gránulos dispersos. Sobre todo en hepatocitos y células musculares.
• Grasas: fuente energética más importante que el glucógeno. La mayor parte se almacena en el citoplasma de adipocitos en forma de gran gota de triacilgliceroles. Desde el tejido adiposo es liberado a la sangre según las necesidades.

Los Ribosomas

Los ribosomas están formados por varias moléculas de ARNr y más de 50 proteínas diferentes, y su función es sintetizar las proteínas de la célula. Se designan por su coeficiente de sedimentación: 70 S en procariotas, 80 S en eucariotas. Los dos tipos presentan dos subunidades, una grande y una pequeña.

En eucariotas hay ribosomas unidos a la cara citosólica de la membrana nuclear externa y de la membrana del RER, libres en el citoplasma y en el interior de las mitocondrias y cloroplastos (similares a los de las bacterias los de estos dos orgánulos).

Para la síntesis de proteínas, los ribosomas libres y los ribosomas unidos a membranas se asocian en grupo a cada molécula de ARNm, formando polirribosomas o polisomas, adoptando una conformación en espiral, y así cada ARNm es traducido a la vez por varios ribosomas.

Los Proteosomas

La cantidad de proteínas de una célula está regulada por su velocidad de síntesis y por su velocidad de degradación. De vida corta o larga, todas son renovadas continuamente. Aquellas con plegamientos incorrectos o dañadas deben ser eliminadas. Los puntos de eliminación en eucariotas son los lisosomas y los proteosomas.

Los proteosomas son grandes complejos moleculares formados por múltiples subunidades proteicas cuya función es degradar proteínas defectuosas o de vida corta, para lo cual se utiliza energía derivada del ATP.

Los proteosomas constan de dos partes:

• Cilindro central hueco, formado por proteasas, con puntos activos en el interior, formando una cámara proteolítica.
• Dos complejos proteicos, ubicados en los extremos del cilindro, para reconocer a las proteínas que deben ser degradadas y pasarlas al interior de la cámara.

Las proteínas a destruir llevan en su superficie unas señales reconocidas por un sistema de enzimas que se encarga de unirles una pequeña proteína de 76 aminoácidos, muy conservada a lo largo de la evolución, la ubiquitina. Estas proteínas ubiquitinadas son reconocidas por los complejos proteicos del proteosoma, introducidas en el cilindro proteolítico donde son degradadas. Los proteosomas también intervienen en el proceso de presentación de antígenos.