¿Que significa que la membrana plasmática posee permeabilidad selectiva ?

Definición

Todas las células están rodeadas y separadas de su ambiente exterior por una membrana con una permeabilidad selectiva llamada membrana plasmática, que define los límites de la célula, su perímetro celular, actuando como una barrera que separa su contenido interno (el citoplasma y núcleo) del medio externo.

El modelo actual que describe la organización estructural de la membrana plasmática fue propuesto en 1972 por los científicos Garth Nicholson y S. Jonathan Singer. Este modelo describe la membrana plasmática como un mosaico fluido que contiene diversas proteínas embebidas en una matriz de fosfolípidos.

Los fosfolípidos en la membrana forman una bicapa lipídica con las cabezas polares dirigidas hacia el exterior y las colas hidrofóbicas hacia el interior de la bicapa. Esta tiene un grosor aproximado de 75 Å (ángstrom) o 7.5 nanómetros (nm), por ello no es posible visualizarla al microscopio óptico pero sí con el microscopio electrónico, ya que éste ofrece imágenes de la membrana plasmática en la que se pueden observar dos líneas oscuras laterales y una central más clara.

Los esteroides, como el colesterol, tienen un importante papel en la regulación de las propiedades físico-químicas de la membrana biológicas regulando su resistencia y fluidez. La cantidad relativa de estos componentes varían de membrana en membrana, y los tipos de lípidos en la membrana también pueden variar.

Las proteínas integrales (llamadas también proteínas transmembrana)
Cruzan completamente la bicapa lipídica. Las proteínas periféricas se asocian con la membrana principalmente a través de interacciones no covalentes específicas con las proteínas integrales o lípidos de membrana. Las cadenas de oligosacáridos se encuentran unidos covalentemente a muchas proteínas extracelulares y al dominio exoplasmático de muchas proteínas transmembrana.

Función de la membrana plasmática

La membrana plasmática, tiene un doble papel fisiológico en la célula, por una parte aísla y por lo tanto diferencia el medio interno celular del ambiente exterior pero a su vez media la interacción entre la célula y su entorno al permitir intercambio selectivo de materia y energía e información (diferentes tipos de señales físicas y químicas) entre ambos, intercambio que es necesario para mantener una adecuada homeostasis del medio interno, clave en el mantenimiento de la vida celular. Esta doble función de la membrana plasmática es posible por una parte gracias a la naturaleza aislante que en medio acuoso proporciona la bicapa lipídica y por otra en las funciones de transporte que desempeñan las proteínas embebidas en la membrana. Es la actividad específica transportadora de dichas proteínas la que determina permeabilidad selectiva de las biomembranas y de ese modo desempeñan un papel crucial en la función de la membrana.

La membrana plasmática es una barrera selectivamente permeable que permite el paso de unas sustancias pero no de otras. Determina pues qué sustancias entran o salen de la célula. El interior hidrofóbico de la bicapa de fosfolípidos es una de las razones por las que la membrana es selectivamente permeable.

Así, la bicapa lipídica tiene un papel fisicoquímico dual, pues sirve por una parte como un solvente de las proteínas de la membrana y por otra actúa como una barrera a la permeabilidad. Mientras que las moléculas hidrofóbicas, que son solubles en lípidos (e.G. Etanol) pueden pasar fácilmente la membrana, moléculas pequeñas como el oxígeno , dióxido de carbono , Nitrógeno pueden difundir entre los fosfolípidos de membrana, pero moléculas hidrofílicas pequeñas como agua, nutrientes como la glucosa e iones [,, protones , etc…] no pueden pasar directamente a través de los fosfolípidos de la membrana plasmática. Estos compuestos deben pasar a través de proteínas de transporte específico situadas en la membrana.

Las proteínas embebidas en la membrana realizan varios tipos de funciones, algunas de las cuales están relacionadas con el mantenimiento de la hemostasia celular (e.G. Transporte, enzimas) y otras que son básicas para integrar una célula en un tejido (receptores, funciones de anclaje, de conexión y reconocimiento intercelular).

Diferentes tipos de función adscritas a distintos tipos de proteínas de membrana transmembranales: transporte, de anclaje y conexión, receptores y enzimas. Una misma proteína transmembrana puede más de una función por ejemplo ser un receptor y tener actividad enzimática.

Transporte específico de moléculas hacia el interior o hacia el exterior celular

Esta función de las proteínas de membrana es de vital importancia para la toma de nutriente por la célula, la salida de productos de desecho de la célula; así como el mantenimiento de diferentes tipos de gradientes electroquímicos (e.G. Potencial de membrana) y de concentración de diferentes moléculas a través de la membrana necesarios para mantener la vida celular.

Tipos de transporte: pasivo y activo

Diferentes tipos de movimiento de las moléculas a través de las membranas biológicas.

Difusión pasiva y la difusión facilitada no requieren el consumo de energía, ya que se realiza a favor de gradiente de concentración o electroquímico; cuando las sustancias están cargadas la dirección y magnitud del flujo de iones a través de una membrana depende tanto de la diferencia de concentración y de la diferencia eléctrica a través de ella, estas dos fuerzas son por ello colectivamente conocidas como gradiente electroquímico. Algunas sustancias entran directamente en la célula a través de difusión pasiva pero muchas sustancias de interés para la célula atraviesan la membrana mediante difusión facilitada. El transporte activo se realiza con consumo de energía (acoplando a la hidrólisis ATP) al realizarse en una dirección energéticamente desfavorable contra un gradiente electroquímico o de concentración.

Diferentes tipos de proteínas transportadoras de membrana

Se suelen distinguir dos clases de proteínas que intervienen en la difusión facilitada: Las proteínas canales o de canal facilitan la difusión formando poros (e.G porinas) abiertos en la membrana que permiten la libre difusión de cualquier molécula de tamaño y carga apropiados. Las proteínas transportadoras se unen específicamente en un lado de la membrana a las moléculas que van a ser transportadas, sufren entonces un cambio conformacional que permite que la molécula pase a través de la membrana y sea finalmente liberada al otro lado. Existen también canales iónicos (que transportan iones, moléculas cargadas) cuya apertura es regulada por la uníón de un pequeño ligando (e.G. Un neurotransmisor, acetilcolina) o con una apertura regulada por cambios en el voltaje eléctrico (canales iónicos regulados por voltaje para cationes , , , etc…). Las bombas potenciadas por ATP permiten a la célula el transporte activo de ciertas moléculas en contra de gradiente de concentración o electroquímico. Los triángulos señalán los gradientes con la punta indicando hacia la zona de menor concentración o de potencial eléctrico.

Las proteínas transportadoras, también llamadas permeasas, pueden ser de tres tipos:

-MONOTRANSPORTADORA O UNIPORTE: Transfieren UN solo tipo de soluto de un lado al otro de la membrana. (ej.: transporte de glucosa en la mayoría de las células animales, desde el medio extracelular, la sangre, donde la concentración es mayor, hacia el interior de las mismas donde es menor)

-COTRANSPORTADORA O SIMPORTE: Transfieren DOS tipos de solutos, ambos en el mismo sentido.

-CONTRATRANSPORTADORA O ANTIPORTE: Transfiere DOS tipos distintos de solutos en sentidos contrarios. Es decir, uno ingresa al citoplasma si, y solo si, simultáneamente el otro sale.

Las células producen y mantienen diferentes tipos de gradientes electroquímicos, que son importantes para diferentes aspectos de la fisiología celular. Las bombas iónicas, son unas proteínas integrales de membrana responsables de mantener los diferentes gradientes iónicos a través de la membrana plasmática, siendo un buen ejemplo de transporte activo acoplado directamente a hidrólisis de ATP. Por ejemplo, la concentración de cationes Na+ es aproximadamente diez veces superior fuera que dentro de las células, mientras que concentración K+ de es mayor dentro que fuera. La bomba de Na+- K+ llamada también ATPasa de Na+- K+ es la responsable del mantenimiento de diferencias de concentración iónica (gradientes) Na+ y K+ a ambos lado de la membrana. La bomba de Na+- K+ utiliza la energía derivada de la hidrólisis de ATP para transportar Na+ y K+ contra sus gradientes electroquímicos. El proceso de transporte es el resultado de una serie de cambios conformacionales de la bomba, dirigidos por el ATP. Por cada tres iones Na+ transportados al exterior por la bomba se transportan dos iónes K+ al interior celular. Este bombeo desigual de iones positivos hace más negativo el interior celular lo que causa una separación de cargas a través de la membrana plasmática contribuyendo a originar el potencial de membrana (con un voltaje eléctrico negativo en la célula) que proporciona una fuerza eléctrica que influencia el movimiento de iones a través de la membrana. El potencial de membrana y gradiente electroquímico de Na+ y K+ mantenido por la ATPasa de Na+ y K+ tiene un papel crítico en la propagación de señales eléctrica en los nervios y músculos, así como en el mantenimiento de un equilibrio osmótico y volumen celular adecuado. Además la energía potencial almacenada en el gradiente de Na+ establecido por la ATPasa de Na+- K+ también se utiliza para el transporte activo de otras moléculas en contra de su gradiente de concentración, (e.G.Glucosa), un proceso llamado cotransporte o transporte activo secundario.

Señalización molecular

Ciertas proteínas integrales de membrana sirven también como receptores para recibir y transducir señales químicas o físicas del ambiente externo al interior celular. Permiten por ello la comunicación de la célula con su entorno exterior.

Proteínas receptores de membrana sirven para sentir estímulos externos (generalmente una pequeña moléculas señalizadora, e.G. Hormona o un estímulo físico, luz por ejemplo) y poner en marcha una cascada de señalización interna que conduce a la generación finalmente una respuesta fisiológica adecuada. En muchos casos los receptores tienen también actividad enzimática.

Por ejemplo, el receptor de insulina, una hormona péptidica que controla los niveles de glucosa en sangre es una proteína integral de membrana que tiene también actividad enzimática (quinasa).

Uníón intercelular. Las proteínas de membranas adyacentes pueden actuar como puentes de uníón entre células. Permiten la comunicación intercelular. Las uniones comunicantes (gap junctions en inglés) un ejemplo de estructuras para la comunicación intercelular construidas con proteínas integrales de membrana llamadas conexinas.

Reconocimiento célula-célula

Los oligosacáridos que se encuentra unidos covalentemente a glicoproteínas y glicolípidos de la membrana plasmática se dirigen hacia el espacio extracelular formando el glicocalix, una especie de manto de carbohidratos que recubre la superficie celular. El glicocalix sirve para proteger la superficie celular de diferentes tipos de agresiones mecánica y químicas, además de estar implicado en diferentes tipos de interacción célula-célula al servir como puntos de reconocimiento (marcadores) de la superficie celular que son identificados por receptores específicos encontrados en otras células (reconocimiento intercelular). Por ejemplo los grupos sanguíneos humanos A, B, AB y O reflejan variaciones en la estructura de los oligosacáridos unidos a proteínas o lípidos en la superficie de los eritrocitos o glóbulos rojos.