La Membrana Celular: Estructura, Función y Composición

Introducción

Las células están separadas del exterior por una estructura denominada membrana celular.

Membrana Celular

La membrana celular es crucial para la vida de la célula. Actúa como una barrera selectiva para átomos, iones y moléculas, determinando la composición celular. Todas las células tienen membranas, las cuales constituyen un complejo lipoproteico. Están constituidas por lípidos y carbohidratos.

Composición, Estructura y Función de la Membrana Celular

La estructura de la membrana celular se dedujo a partir de imágenes de microscopía electrónica y análisis de su composición. La membrana plasmática tiene un espesor de 5 a 10 nm, similar en células procariotas y eucariotas. La estructura base de la membrana celular es la bicapa fosfolipídica. La membrana plasmática está compuesta por: proteínas, lípidos y carbohidratos. Hacia ambos lados de la membrana se encuentran moléculas de agua: la membrana expone sus regiones hidrosolubles.

Lípidos de Membrana

Los lípidos constituyen aproximadamente el 50% del peso de las membranas, con unos 5 millones de moléculas por μm². Las membranas celulares de una célula eucariota contienen más de mil tipos de lípidos en distinta proporción según el tipo de membrana. Aproximadamente el 5% de los genes de una célula están dedicados a producir sus lípidos.

Los lípidos de la membrana celular se clasifican en:

• Fosfolípidos: como representante, glicerofosfolípidos /glicerol (carbono 1 ácidos grasos 2 y 3 región polar).
• Glicolipidos: lípidos unidos a un azúcar (esfingolípidos).
• Esteroles: como representante, el colesterol tiene una región cargada (el OH) y una región hidrofóbica sin cargas que se orienta hacia el interior de la membrana celular.

La mayor parte de los lípidos van a tener un grupo fosfato excepto el colesterol y los glucolípidos, donde encontramos cerebrósidos y gangliósidos. Debido a que la mayor parte de los fosfolípidos poseen un esqueleto de glicerol, se les denomina fosfoglicéridos.

Las cadenas o "colitas" de los fosfolípidos pueden tener un ácido graso insaturado (un doble enlace). Este doble enlace, si es cis, quiebra la cadena, y si es trans, no la quiebra.

La bicapa de lípidos es una estructura compuesta de dos monocapas:

• Independientes
• Más o menos estables
• Con diferentes propiedades físicas y químicas

La monocapa extracelular consta de:

• Una concentración desproporcionadamente alta de fosfatidilcolina y de esfingomielina.
• Una baja concentración de fosfatidiletanolamina y de fosfatidilserina.

Síntesis y movimiento de lípidos:

1. Las membranas lipídicas son sintetizadas en el retículo endoplasmático liso, en la monocapa citosólica.
2. Las membranas formadas se incorporan a la membrana plasmática mediante fusión (exocitosis).
3. Con la formación de nuevas vesículas (endocitosis) se pierde material de membrana.

Movimientos de los fosfolípidos de membrana:

• Laterales: en la misma monocapa.
• Rotación.
• Flexión de las cadenas laterales.
• "Flip-flop".

Movimiento de flip-flop: Los translocadores (flipasas) mueven los lípidos sintetizados desde la monocapa citosólica hacia la monocapa luminal del retículo endoplasmático liso. La composición lipídica de la membrana es asimétrica por los movimientos de "flip-flop". Estos movimientos ocurren menos de una vez al mes para cualquier molécula individual, excepto el colesterol.

Balsas de Lípidos

Las interacciones moleculares entre ciertos lípidos producen la segregación de dominios espaciales y funcionales en áreas restringidas de la membrana, afectando también la localización de las proteínas y sus funciones. Los esfingolípidos son más abundantes en las membranas plasmáticas que en las de las organelas y, junto con el colesterol, condicionan la segregación de la membrana en dominios moleculares (balsas de lípidos).

Fluidez de la Membrana

Los lípidos y proteínas tienen libertad de movimiento lateral en la bicapa. El movimiento de una bicapa a otra es muy limitado. Los lípidos son fluidos a temperatura corporal. Los ácidos grasos no saturados tienen un punto de fusión inferior a los ácidos grasos saturados. Existen lípidos insaturados en cantidad suficiente en las membranas para mantener el punto de fusión de la bicapa lipídica por debajo de la temperatura corporal: temperatura de transición. El doble enlace cis incrementa la fluidez de la membrana.

El colesterol:

• Da rigidez a la membrana.
• Tiende a aumentar la fluidez cuando disminuye la temperatura.
• Evita temperaturas de transición bruscas.
• Incrementa la estabilidad y disminuye la permeabilidad de la membrana.

Estructura en Mosaico Fluido

La bicapa lipídica es la matriz en la cual las moléculas proteicas son como islas. Esta estructura recibe el nombre de mosaico fluido, pues la matriz posee baja viscosidad y las proteínas pueden ser consideradas semejantes a trozos de piedras dispersos en un mosaico.

Proteínas Intrínsecas o Integrales

Las proteínas se encuentran más o menos inmersas en la matriz lipídica.

Proteínas Extrínsecas o Periféricas

Las proteínas se encuentran apoyadas sobre las cabezas de los fosfolípidos (son mantenidas por interacciones electrostáticas) a ambos lados de la membrana. La posición que ocupa una proteína determinada en la matriz depende siempre de interacciones de grupos laterales de ciertos restos de aminoácidos con las moléculas lipídicas.

Proteínas de Membrana

Según el tipo de célula y organela, una membrana puede contener desde 12 a más de 50 proteínas diferentes. No están dispuestas al azar. Se localizan y orientan en posiciones particulares respecto a la bicapa.

Estructuras de una Proteína

1. Primaria: Secuencia de aminoácidos.
2. Secundaria: Hélice alfa, lámina beta.
3. Terciaria: Conformación tridimensional.
4. Cuaternaria: Subunidades polipeptídicas.

Las hélices alfa constituyen dominios transmembrana. La estructura funcional de una proteína es alterada por: calor, métodos químicos, agitación excesiva de soluciones de proteínas, ácidos y álcalis.

Tipos de proteínas de membrana:

1. Proteínas integrales: Penetran la bicapa (dominio citosólico, transmembrana, extracelular).
2. Proteínas periféricas: Se localizan fuera de la bicapa lipídica, orientadas hacia el extracelular, en cuyo caso pueden estar formando glicoproteínas, o hacia el citoplasma.
3. Proteínas ancladas a lípidos: Localizadas fuera de la bicapa y unidas mediante enlaces covalentes a lípidos (modificación lipídica de las proteínas).

Grupo sanguíneo ABO: Son glicolípidos de membrana los que hacen la diferencia.

Funciones de la Membrana Plasmática

1. Compartimentalización.
2. Barreras selectivas permeables.
3. Transporte de solutos: Difusión simple, difusión facilitada, transporte activo.
4. Respuesta a señales externas: Transducción de señales.
5. Interacción celular.
6. Sitios para actividades bioquímicas.
7. Transducción de energía.

Sistema de Endomembranas

Las membranas biológicas son bicapas lipídicas. La estructura es común para todas las membranas celulares. La célula eucariota tiene un sistema de endomembranas que determina compartimientos dentro de ella, los cuales posibilitan importantes eventos y procesos celulares.