Estructura y función de la membrana celular
Las membranas celulares aíslan el contenido de la célula y permiten la comunicación con el entorno
Como se sabe, todas las células y organelos de las células eucariontes están rodeados por membranas. Las membranas celulares cumplen varias funciones cruciales:
• Aíslan de forma selectiva el contenido de la célula del ambiente externo, de modo que se producen gradientes de concentración de sustancias disueltas producidas en diversas partes de la membrana.
• Regulan el intercambio de compuestos esenciales entre la célula y el medio acuoso extracelular o entre los organelos envueltos en membranas y el citoplasma del entorno.
• Permiten la comunicación entre células.
• Permiten las uniones en el interior de las células y entre ellas.
• Regulan muchas reacciones bioquímicas.
Son tareas formidables para una estructura tan delgada que 10 mil membranas, una sobre otra, apenas igualarían el grosor de esta página.
La clave del funcionamiento de la membrana radica en su estructura. Las membranas no son unas puras láminas uniformes, sino que son estructuras complejas y heterogéneas cuyas moléculas que las conforman cumplen funciones distintas. Las membranas varían según el tipo de tejido y cambian de manera dinámica en reacción al entorno.
Todas las membranas de una célula tienen una estructura básica parecida: proteínas que flotan en una bicapa de fosfolípidos. Los fosfolípidos realizan la función aislante de las membranas, mientras que las proteínas intercambian sustancias selectivamente y se comunican con el entorno, controlan las reacciones bioquímicas de la membrana celular y forman enlaces.
Las membranas son “mosaicos fluidos” en los que las proteínas se desplazan en capas de lípidos
Antes de la década de 1970, aunque los biólogos sabían que las membranas celulares constan principalmente de proteínas y lípidos, no se sabía cómo estas moléculas originan la estructura y la función de la membrana. En 1972, los investigadores de la célula S.J. Singer y G.L. Nicolson desarrollaron el modelo del mosaico fluido de la membrana celular, que ahora se sabe que es correcto. Según este modelo, cada membrana consta de un mosaico o “parche” de diferentes proteínas que cambian de manera constante y se mueven en un fluido viscoso (grueso y pegajoso) constituido por una bicapa de fosfolípidos. Aunque los componentes de la membrana plasmática se mantienen relativamente constantes, la distribución general de las proteínas y los tipos de fosfolípidos cambia con el tiempo. Veamos con más detalle la estructura de las membranas. La bicapa de fosfolípidos es la parte fluida de la membrana Como vimos en el capítulo 3, un fosfolípido consta de dos partes muy diferentes: una “cabeza” que es polar e hidrofílica (atraída por el agua) y un par de “colas” de ácidos grasos no polares que son hidrofóbicas (que no las atrae el agua). Las membranas contienen muchos fosfolípidos del tipo general que se muestra en la figura Observa que en este fosfolípido particular, un enlace doble (que hace al ácido graso insaturado) crea una flexión en la cola del ácido graso que ayuda a mantener la fluidez de la membrana.
La bicapa de fosfolípidos es la parte fluida de la membrana
Como vimos en el capítulo 3, un fosfolípido consta de dos partes muy diferentes: una “cabeza” que es polar e hidrofílica (atraída por el agua) y un par de “colas” de ácidos grasos no polares que son hidrofóbicas (que no las atrae el agua). Las membranas contienen muchos fosfolípidos del tipo general que se muestra en la figura, Observa que en este fosfolípido particular, un enlace doble (que hace al ácido graso insaturado) crea una flexión en la cola del ácido graso que ayuda a mantener la fluidez de la membrana.
Todas las células están rodeadas por agua. Los organismos unicelulares viven en agua dulce o en el mar, el agua satura las paredes celulares de las plantas y las células animales están bañadas por un medio acuoso extracelular débilmente salino que sale de la sangre. El citosol (la parte líquida del citoplasma) es principalmente agua. Así, las membranas plasmáticas separan el citosol acuoso del entorno acuoso exterior y las membranas internas rodean compartimentos acuosos dentro de la célula. Rodeados por agua, los fosfolípidos se organizan de forma espontánea en una doble capa llamada bicapa lipídica. El hidrógeno forma enlaces entre el agua y las cabezas hidrofílicas de los fosofolípidos, de modo que éstas se orientan hacia afuera, hacia el medio acuoso a ambos lados de la membrana. Las colas de los fosfolípidos, como son hidrofóbicas, se colocan dentro de la bicapa.
Las moléculas individuales de los fosfolípidos no están unidas unas con otras y las membranas contienen fosfolípidos con ácidos grasos insaturados cuyos enlaces dobles flexionan sus colas Gracias a estas propiedades, los fosfolípidos se mueven dentro de las capas, con lo que la bicapa es bastante fluida. Las membranas con más dobles enlaces en las colas de sus fosfolípidos son más fluidas que. las membranas cuyos fosfolípidos tienen menos dobles enlaces.
Las células tienen diferentes grados de saturación (y, por consiguiente, de fluidez) en la bicapa de fosfolípidos, lo que les permite realizar diferentes actividades o funcionar en distintos ambientes. Por ejemplo, las membranas tienden a volverse más fluidas a temperaturas más altas (porque las moléculas se mueven con mayor rapidez) y son menos fluidas con las temperaturas bajas (cuando las moléculas son más lentas). Por consiguiente, las membranas celulares de los organismos que viven en ambientes fríos tienen abundantes fosfolípidos insaturados, para que con las colas flexionadas, la membrana conserve la fluidez que se necesita (véase el apartado “De cerca: Forma, función y fosfolípidos”).
Casi todas las moléculas biológicas, incluyendo las sales, aminoácidos y carbohidratos, son hidrofílicas, es decir, son polares y solubles en agua. Estas sustancias no pasan de forma fácil por entre las colas hidrofóbicas y no polares de los ácidos grasos de la bicapa de fosfolípidos. Esta capa cumple una de las primeras cinco funciones que se describieron en párrafos anteriores: aislar de forma selectiva el contenido de la célula del ambiente exterior. Sin embargo, el aislamiento que crea la membrana plasmática no es completo. Como se verá después, moléculas muy pequeñas (de agua, oxígeno y dióxido de carbono), así como moléculas más grandes sin carga y solubles en lípidos, pueden pasar por la bicapa.
En la mayoría de las células animales, la bicapa de fosfolípidos de la membrana contiene también colesterol. Algunas membranas celulares tienen pocas moléculas de colesterol; otras tienen tantas de colesterol como de fosfolípidos. El colesterol afecta la estructura y el funcionamiento de la membrana de varias maneras: estabiliza la bicapa de fosfolípidos, de modo que sea menos fluida a temperaturas elevadas y menos sólida con las bajas, además de ser menos permeable a sustancias solubles en agua, como iones o monosacáridos.
La naturaleza flexible y un tanto fluida de la bicapa es muy importante para el funcionamiento de la membrana. Cada vez que respiras, mueves los ojos o pasas las páginas de este libro, las células de tu cuerpo cambian de forma. Si las membranas plasmáticas fueran rígidas en lugar de flexibles, las células podrían romperse y morir. Las membranas de las células eucariontes están en movimiento constante. Los compartimentos envueltos en membranas transportan sustancias dentro de la célula, toman y expulsan material al exterior y en estas actividades fusionan sus membranas. Este flujo y fusión de las membranas es posible gracias a la naturaleza fluida de la bicapa de fosfolípidos.
Diversas proteínas forman un mosaico dentro de la membrana
Miles de proteínas de membrana están insertadas o unidas a la superficie de la bicapa de fosfolípidos de la membrana celular. Las proteínas de la membrana plasmática que llevan carbohidratos unidos a la parte expuesta de la membrana celular se llaman glucoproteínas (gluco viene del término griego que significa “dulce” y se refiere a la parte de los carbohidratos con sus unidades de azúcar).
Casi todas las proteínas de la membrana plasmática están insertadas, al menos parcialmente, en la bicapa de fosfolípidos, pero algunas se adhieren a la superficie. Las proteínas de membrana pueden clasificarse en cinco grandes categorías basadas en su función: receptoras, de reconocimiento, enzimáticas, de unión y de transporte. Casi todas las células llevan docenas de tipos de proteínas receptoras (algunas de las cuales son glucoproteínas) repartidas por la membrana plasmática. Para realizar sus funciones, las células tienen que responder a los mensajes enviados por otras. Estos mensajes son moléculas (como las hormonas) transportadas por el torrente sanguíneo. Después de penetrar por difusión en el líquido extracelular, estas moléculas mensajeras se unen en puntos específicos de las proteínas receptoras, las cuales comunican el mensaje al interior de la célula. Cuando la molécula apropiada se une a la receptora, ésta se “activa” (a menudo con un cambio de forma), lo que produce una respuesta dentro de la célula.
La respuesta puede ser muy diversa. La forma de una proteína dentro de una célula puede modificarse y pasar de inactiva a activa. Este cambio estimula una secuencia de reacciones químicas en la célula que alteran su actividad. Por ejemplo, cuando la hormona epinefrina (adrenalina) se enlaza a un receptor específico de la membrana en las células musculares, las estimula para que degraden el glucógeno en glucosa y aporten más energía para la contracción de los músculos. Cuando otras proteínas receptoras se unen a moléculas mensajeras, abren los canales iónicos o inician secuencias de reacciones que estimulan a las células para que se dividan o produzcan hormonas. La comunicación entre las células nerviosas depende también de los receptores y gracias a las proteínas receptoras las células del sistema inmune reconocen y atacan a los invasores que causan enfermedades.
Las proteínas de reconocimiento son glucoproteínas que sirven como etiquetas de identificación. Las células de cada individuo llevan glucoproteínas únicas que las identifican como “yo”. Las células del sistema inmunitario ignoran al yo y atacan a las células invasoras, como las bacterias, que tienen diferentes células de reconocimiento en la membrana.
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