Membrana Cel·lular i Orgànuls: Estructura, Funció i Transport

Funcions de la Membrana Cel·lular

La membrana plasmàtica exerceix diverses funcions vitals per a la cèl·lula:

• Aïllament físic: Constitueix una barrera que separa el medi intracel·lular de l'extracel·lular.
• Regulació de l'intercanvi: Controla l'entrada d'ions i nutrients, l'eliminació de residus i l'alliberament de productes cel·lulars. Això permet conservar els gradients electroquímics entre l'interior i l'exterior. Algunes partícules grans no travessen la membrana, sinó que la deformen en entrar o sortir.
• Manteniment de l'estructura cel·lular: Les seves proteïnes fixen el citoesquelet. A més, creen unions especialitzades entre cèl·lules adjacents o entre cèl·lules i la matriu extracel·lular.
• Comunicació amb l'entorn: Gràcies a proteïnes que li permeten reconèixer molècules o canvis en el medi exterior i respondre-hi.
• Acreditació de pertinença: Té molècules anomenades antígens d'histocompatibilitat que identifiquen l'organisme concret.

Tipus de Proteïnes de Membrana

Proteïnes Integrals

Tenen una part hidrofòbica situada a l'interior de la bicapa, en contacte amb les cues dels àcids grassos, mentre que els extrems externs són hidrofílics. Formen enllaços forts amb els lípids i només se separen amb tractaments forts (detergents, dissolvents orgànics, etc.). Sovint travessen la bicapa lipídica, anomenant-se proteïnes de transmembrana. Participen en:

• Transmissió de senyals entre els líquids intracel·lular i extracel·lular.
• Adhesió cel·lular i intercel·lular.
• Pas de substàncies hidrofíliques.
• Processos enzimàtics i senyalització intracel·lular.

Proteïnes Perifèriques

Se situen en un costat o l'altre de la bicapa lipídica. Estan unides feblement als caps polars dels lípids de la membrana o a proteïnes integrals mitjançant interaccions electrostàtiques o enllaços d'hidrogen. Es poden extreure amb procediments suaus que mantenen la bicapa lipídica intacta.

Proteïnes Ancorades

Algunes proteïnes perifèriques poden estar ancorades a lípids, i d'altres (perifèriques o integrals) ancorades al citoesquelet per fixar-lo. Aquestes proteïnes es mantenen immòbils i marquen determinades zones.

Components Estructurals de la Membrana

Fosfolípids

S'organitzen espontàniament en bicapes, amb les parts hidròfobes cap a l'interior i les parts hidròfiles cap a l'exterior, formant la bicapa lipídica, que és la base estructural de les membranes cel·lulars. Proporcionen a les membranes la seva força, flexibilitat i integritat estructural. Sense fosfolípids, les cèl·lules no podrien funcionar correctament.

Glicocàlix

És una capa protectora i identificadora que proporciona identitat a la cèl·lula. Facilita el reconeixement i l'adhesió entre les cèl·lules, intervé en el rebuig d'empelts i de trasplantaments i possibilita l'entrada d'agents patògens.

Transport a través de la Membrana

Transport Actiu

És el procés pel qual les cèl·lules transporten molècules o ions des d'una zona de baixa concentració a una de més alta concentració. Això requereix un consum d'energia, generalment en forma d'ATP.

Transport Passiu

El pas de substàncies per transport passiu es pot fer de dues maneres:

Per Difusió Simple

Les molècules no polars o liposolubles travessen la membrana plasmàtica i es dissolen en la bicapa lipídica. També poden passar per difusió simple petites molècules polars sense càrrega, com ara l'aigua o el glicerol. Aquestes substàncies també poden utilitzar els porus, unes estructures proteiques tubulars amb els dos extrems sempre oberts. Bona part de l'aigua entra a la cèl·lula a través de les aquaporines.

Per Difusió Facilitada

Substàncies, ions o molècules polars entren o surten de les cèl·lules utilitzant proteïnes intrínseques. Les proteïnes són de dos tipus:

1. Proteïnes transportadores de transmembrana: S'uneixen específicament a la molècula i l'alliberen a l'altre costat de la membrana havent canviat de forma per efecte d'aquesta unió.
2. Proteïnes integrals de membrana, o canals: Formen estructures tubulars plenes d'aigua que travessen la membrana.

Endocitosi i Exocitosi

Fagocitosi

La duen a terme cèl·lules especialitzades que incorporen partícules molt grans, com ara microorganismes o restes de cèl·lules. És la forma habitual d'alimentació en protozous com l'ameba, i en cèl·lules sanguínies per capturar microorganismes perjudicials o restes de cèl·lules mortes.

Pinocitosi

És un tipus d'endocitosi en què líquids i petites partícules poden entrar a la cèl·lula per invaginacions de la membrana. L'expulsió de restes no digeribles o certes substàncies secretades per les cèl·lules es realitza per exocitosi, el procés invers.

Endocitosi Vehiculada per Receptors

Requereix receptors específics situats a la membrana cel·lular que reconeixen determinats lligands (com lipoproteïnes, ferro o insulina). La proteïna específica que forma aquests receptors és la clatrina. Els lligands se situen en depressions de la membrana anomenades orificis recoberts (perquè estan envoltats per clatrina a la cara interna). Les molècules de clatrina es polimeritzen i formen una vesícula recoberta. És el tipus d'endocitosi més comú en cèl·lules animals i permet, per exemple, l'entrada de colesterol (transportat per HDL i LDL). Les partícules de LDL s'introdueixen per unió amb receptors de clatrina i invaginació, formant una vesícula que es fusiona amb un endosoma primerenc. La deficiència de clatrina pot augmentar el colesterol a la sang.

Unions Cel·lulars

Les cèl·lules s'uneixen mitjançant diferents tipus d'unions:

• Unions en fenedura o comunicants (gap junctions): Són les formes més simples d'unió cèl·lula-cèl·lula. Certes proteïnes, les connexines, creen canals que es poden obrir i tancar entre cèl·lules adjacents.
• Unions hermètiques o zònula oclusiva (zonula occludens): Les membranes de les cèl·lules adjacents es fusionen parcialment amb l'ajuda de les proteïnes claudines i ocludines.
• Unions d'ancoratge o desmosomes (macula adherens): Són les unions cèl·lula-cèl·lula més fortes. Les formen les proteïnes cadherines, que s'uneixen entre elles a través de l'espai intercel·lular.

Orgànuls del Sistema de Membranes

Lumen

Espai intern de la cavitat única delimitada per sàculs i túbuls aplanats i connectats entre si.

Reticle Endoplasmàtic Rugós (RER)

És una estructura cel·lular formada per sistemes de túbuls aplanats amb ribosomes adherits a la seva membrana, la qual cosa li dona un aspecte granular. La seva funció crucial és la síntesi i el transport de proteïnes, a més de participar en processos com la glicosilació per formar glicoproteïnes.

Reticle Endoplasmàtic Llis (REL)

Està constituït per túbuls llisos ramificats intercomunicats. El REL dels hepatòcits desintoxica o inactiva fàrmacs. En el REL de les cèl·lules del múscul esquelètic, anomenat sarcoplasma, s'emmagatzemen els ions de calci necessaris per a la contracció muscular.

Aparell de Golgi (AG)

L'AG està format per dictiosomes, piles de sacs corbats aplanats (entre 3 i 20 segons la cèl·lula). En els dictiosomes es distingeixen dues cares amb diferent estructura i funció:

• La cara de formació (cis), més pròxima al nucli.
• La cara de maduració (trans), més pròxima a la membrana plasmàtica.

L'AG rep vesícules formades en el REL:

• Vesícules secretores: Contenen les proteïnes i glicoproteïnes que s'exporten fora de la cèl·lula.
• Vesícules d'emmagatzematge: Es queden en el citoplasma, van a altres orgànuls membranosos o donen lloc als lisosomes.

Lisosomes

Són orgànuls cel·lulars membranosos que contenen enzims hidrolítics capaços de degradar diversos tipus de biomolècules (proteïnes, àcids nucleics, carbohidrats i lípids). Tenen un paper fonamental en la digestió i reciclatge de materials cel·lulars.

Heterofàgia

És la digestió intracel·lular de macromolècules procedents de l'exterior per un procés d'endocitosi. La vesícula resultant de la fagocitosi (fagosoma) es fusiona amb un lisosoma primari, donant lloc a un fagolisosoma, on es digereixen les partícules capturades.

Autofàgia

Procés cel·lular crucial en el qual parts del citoplasma, incloent orgànuls danyats o envellits, són englobats per vesícules i digerits pels enzims dels lisosomes. Permet el reciclatge de nutrients, l'eliminació de materials de rebuig, la degradació de proteïnes i orgànuls danyats, l'adaptació a l'estrès, el manteniment de l'homeòstasi cel·lular, i participa en el desenvolupament, diferenciació i supervivència cel·lular.

Vacúols

Són orgànuls cel·lulars presents en les cèl·lules eucariotes, amb funcions diverses com ara emmagatzemar aigua, sals minerals, substàncies de reserva o de rebuig, i contribuir al manteniment de la forma cel·lular.

Mitocondris

Són orgànuls cel·lulars presents en la majoria de les cèl·lules eucariotes, envoltats per una doble membrana. A través de la respiració aeròbica, generen la major part de l'adenosina trifosfat (ATP) utilitzada com a font d'energia. Els mitocondris són orgànuls dinàmics:

• Es desplacen pel citoplasma.
• Canvien la forma, d'esfera a el·líptica.
• Canvien el nombre, ja que es poden fusionar o dividir per gemmació, depenent de les necessitats metabòliques.

Senyalització Cel·lular

Receptors

Els receptors són proteïnes que actuen com a detectors i descodificadors del senyal que porta el missatger, i transformen aquest senyal en un senyal intracel·lular comprensible per a la cèl·lula. S'anomena transducció el conjunt d'etapes o processos concatenats pels quals una cèl·lula converteix un senyal en una resposta específica.

Depenent de la naturalesa química del missatger, es distingeixen dos tipus de receptors:

• Receptors intracel·lulars: Per a missatgers petits i hidrofòbics capaços de travessar la membrana plasmàtica.
• Receptors de membrana: Detecten senyals extracel·lulars hidrofílics o de gran mida que no poden accedir a l'interior de la cèl·lula.

Tipus de Senyalització

• La senyalització paracrina és una forma de comunicació cel·lular en la qual una cèl·lula produeix un senyal per induir canvis en les cèl·lules properes.
• La senyalització autocrina és un tipus de comunicació cel·lular en la qual una cèl·lula secreta una substància química que s'uneix a receptors de la mateixa cèl·lula, provocant canvis en ella.

Components de la Transducció

Les anomenades proteïnes G són interruptors moleculars que es poden activar transitòriament. Es troben en estat inactiu o actiu, capaç d'unir-se amb altres proteïnes cel·lulars anomenades efectores.

• Cinases: Encarregades de les reaccions de fosforilació o activació.
• Fosfatases: Encarregades de les reaccions de desfosforilació.