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CÉLULA I/Membranas Biológicas y Transporte
Gonzalo Vázquez Palacios
3. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE
Resulta difícil explicar la estructura y función de células y organelos celulares sin considerar el
papel que desempeña la membrana celular. Para llevar a cabo las reacciones químicas necesarias en el
mantenimiento de la vida, la célula necesita mantener un medio interno apropiado. Esto es posible porque
las células se encuentran separadas del mundo exterior por una membrana limitante: la membrana
plasmática. Además, la presencia de membranas internas en las células eucariotas proporciona
compartimientos adicionales que limitan ambientes únicos en los que se llevan al cabo funciones
altamente específicas, necesarias para la supervivencia celular. Sin la existencia de las membranas habría
sido imposible que la vida en la tierra evolucionara hasta alcanzar su estado actual.
Las membranas celulares no son paredes rígidas, sino estructuras complejas y dinámicas
compuestas por moléculas que poseen características especiales. Tales características hacen posible la
existencia de interacciones selectivas entre los sistemas de membrana internos en la célula, y de la célula
con el medio que la rodea. Entre otras funciones de la membrana celular, se destacan la regulación del
transporte de moléculas hacia adentro y afuera de la célula, la transmisión de señales e información entre
el medio y el interior de la célula, la capacidad de actuar como sistema de transferencia y almacenamiento
de energía y el reconocimiento de la célula con su entorno.
Con el fin de entender los mecanismos mediante los cuales las membranas celulares realizan
dichas funciones, es necesario hacer una revisión de los conocimientos acerca de la estructura y
composición de las membranas en general. Aunque este tema se centra principalmente en la estructura y
función de la membrana plasmática, gran parte de los conceptos que se vierten también se aplican al
sistema de membranas interno.
Organización de las membranas biológicas.
Una de las cosas más sorprendentes
que se descubren al observar una micrografía
electrónica para comparar los tamaños de las
distintas estructuras celulares, es el hecho de
que la membrana plasmática parece ser
excesivamente delgada. Efectivamente, la
membrana plasmática tiene un grosor no
mayor de 5 nm (El nanómetro es la unidad de
longitud que equivale a una milmillonésima
parte de un metro. La abreviatura del
nanómetro es nm. (1 nm = 1x10-9 m)
Mucho antes de que se inventara el
microscopio electrónico ya se sabía que las
membranas estaban compuestas de proteínas
y lípidos. Ya entre 1920 y 1930 se aceptaba
que la parte central de la membrana
plasmática estaba formada de lípidos,
principalmente fosfolípidos. Además, el estudio de la membrana de los eritrocitos (que sólo tienen
membrana plasmática) y la comparación del área de superficie de membrana con el número total de
moléculas de lípidos por célula permitió a los investigadores arribar a la conclusión de que la membrana se
compone de fosfolípidos, y que su grosor no es mayor que el de dos moléculas de éstos. Debido a que la
mayor parte de las proteínas tiene un diámetro mayor a 10 nm, uno de los principales problemas para
comprender la estructura básica de las membranas consistía en determinar la forma en que las moléculas
se disponían en un espacio tan pequeño.
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En 1972, S.T. Singer y G.L. Nicholson1 propusieron un modelo de estructura de membranas que
sintetizaba las propiedades conocidas de las membranas biológicas. Según este modelo del mosaico
fluido1, que ha tenido gran aceptación, las membranas constan de una bicapa lipídica (esencialmente
una doble capa de fosfolípidos) en la cual están inmersas diversas proteínas.
Esta bicapa lipídica constituye la estructura básica de la membrana y actúa de barrera
relativamente impermeable al paso de la mayoría de las moléculas hidrosolubles. Las moléculas proteicas,
que normalmente se hallan “disueltas” en la bicapa lipídica, actúan como mediadores o facilitadores de
casi todas las funciones de la membrana, ya sea transportando moléculas específicas a través de ella o
catalizando reacciones asociadas a la membrana, como la síntesis de ATP. Algunas proteínas actúan
como eslabones estructurales que relacionan la membrana plasmática al citoesqueleto y/o con la matriz
extracelular de las células adyacentes, mientras que otras proteínas actúan como receptores que reciben y
transducen las señales químicas procedentes del entorno celular.
En la actualidad se sabe que los lípidos de membrana tienen propiedades especiales que les
permiten formar estructuras de doble capa, y que estas estructuras permiten la integración de membranas
biológicas. Pero, ¿Cómo es posible que los lípidos se comporten en esa forma?
Bicapa lipídica
Los lípidos son insolubles en agua pero se disuelven fácilmente en disolventes orgánicos.
Constituyen aproximadamente el 50% de la masa de la mayoría de las membranas plasmáticas de las
células animales, siendo casi todo el resto proteínas. Existen 109 moléculas lipídicas en la membrana
plasmática de una célula animal pequeña.
Las propiedades físicas de los fosfolípidos, en particular la forma en que dichas moléculas se asocian en
el agua, son las que permiten la
formación de capas dobles. Ya se
ha
mencionado
que
los
fosfolípidos están formados por
dos cadenas de ácidos grasos
unidas a dos de los tres carbonos
de la molécula del glicerol. Las
dos cadenas de ácidos grasos de
la molécula son hidrófobas (no
afines al agua) y pueden tener
diferente longitud (usualmente
contienen de 14 a 24 átomos de
carbono). Normalmente una de
estas cadenas presenta uno o
más dobles enlaces cis (es decir,
es insaturada) mientras que la otra
normalmente no tiene dobles
enlaces (es saturada). Las diferencias en longitud y grado de instauración entre las colas hidrocarbonadas
son importantes porque afectan la capacidad de las moléculas de fosfolípidos para empaquetarse,
modificando su fluidez (como veremos más adelante). El tercer carbono del glicerol está unido por
intermedio de un grupo fosfato a una molécula orgánica hidrofílica (afín al agua), que generalmente
contiene un átomo de nitrógeno o un hidrato de carbono. Las moléculas de este tipo, con una región
hidrofóbica y otra hidrofílica, se denominan moléculas anfipáticas. Todas las moléculas que conforman el
centro de la membrana tienen características anfipáticas.
Singer, SJ; Nicolson, GL (Febrero de 1972) «The fluid mosaic model of the structure of cell membranes» Science. Vol. 175. n.º
23. pp. 720–723.
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Debido a que las moléculas del tipo de los fosfolípidos tienen un extremo que se asocia libremente con el
agua y otro que no lo hace, cuando se encuentran dispersas en agua adoptan, por lo general, una
conformación de capa doble. La estructura en bicapa permite que los grupos del extremo hidrofílico se
asocien libremente con el medio acuoso, y que las cadenas hidrofóbicas de ácidos grasos permanezcan
en el interior de la estructura, lejos de las moléculas de agua. No todos los lípidos son capaces de formar
bicapas: algunos forman micelas con las colas hidrocarbonadas hacia el interior, como es el caso de los
ácidos grasos libres. Los triglicéridos, por ejemplo, son hidrófobos, de manera que forman gotas de aceite
dentro de la célula. Las características más importantes de los lípidos que forman bicapas son, entonces:
a) ser claramente dipolares, exhibiendo un polo hidrofóbico y otro hidrofílico, lo que hace que sus
moléculas sean fuertemente anfipáticas, y b) su forma les permite asociarse con el agua en forma de una
estructura de doble capa.
Estas bicapas lipídicas tienden a cerrarse sobre si mismas formando compartimientos herméticos,
eliminando así los bordes libres en los que las colas hidrofóbicas podrían estar en contacto con el agua.
Por esta misma razón los compartimientos formados por bicapas lipídicas tienden a cerrarse de nuevo
después de haber sido rotos, propiedades denominadas de autoensamblaje y autosellado. Además una
bicapa lipídica tiene otras características que hacen de ella una estructura ideal para constituir membranas
celulares, de las cuales una de las más importantes es su fluidez, crucial para muchas funciones.
La bicapa lipídica como un líquido bidimensional
Una característica importante de las bicapas de fosfolípidos es que en determinadas condiciones
se comportan como cristales líquidos. Las bicapas tienen propiedades semejantes a los cristales, pero
también tienen propiedades semejantes a los líquidos, porque a pesar de la ordenada disposición de sus
moléculas los grupos hidrocarbonados están en movimiento constante. Por lo tanto, una molécula se
desplaza rápidamente de un punto al otro en un mismo lado de la estructura. Este movimiento confiere a la
bicapa la propiedad de un fluido bidimensional'. En condiciones normales, esto significa que una molécula
de fosfolípido puede atravesar la superficie de una célula eucariota en pocos segundos.
Las propiedades de líquido de la bicapa lipídica también permiten el desplazamiento de las
moléculas que se encuentran insertas en ella sobre el plano
de la membrana (siempre que no estén ancladas mediante
algún otro mecanismo, como en algunas conexiones
intercelulares).
La fluidez de las membranas celulares es
biológicamente importante. Algunos procesos de transporte y
actividades enzimáticas pueden detenerse cuando la
Singer, SJ; Nicolson, GL (Febrero de 1972) «The fluid mosaic model of the
viscosidad de la membrana (parámetro inversamente structure
of cell membranes» Science. Vol. 175. n.º 23. pp. 720–723.
relacionado con la fluidez) se incrementa más allá de un nivel
crítico umbral. La fluidez de la bicapa depende tanto de su composición como de la temperatura. Una
menor longitud de las cadenas reduce la tendencia de las colas a interaccionar entre sí y los dobles
enlaces cis producen pliegues en las cadenas hidrocarbonadas que dificultan su empaquetamiento, de
forma que las membranas permanecen fluidas a temperaturas más bajas.
La mayor parte de las membranas biológicas se encuentran en un estado cristalino líquido; sin
embargo, a temperaturas bajas, las fuerzas de Van der Waals1 entre las cadenas de hidrocarburos
dispuestas una cerca de otra convierten las bicapas de fosfolípidos en un gel sólido. Bacterias, levaduras y
otros organismos cuyas temperaturas varían con la de su entorno controlan la composición de ácidos
grasos de sus lípidos de membrana para mantener una fluidez relativamente constante. Si la temperatura
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Ocurren entre dipolos inducidos no permanentes de enlaces covalentes poco polares, como C H. Cuando los orbitales
moleculares de dos enlaces apolares se ponen en contacto, las nubes de electrones se rechazan mutuamente y se inducen
dipolos, lo que establece una fuerza de atracción débil. Conforme los átomos se alejan, los dipolos desaparecen y se pierde la
fuerza de van der Waals
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disminuye sintetizan ácidos grasos insaturados, de manera de evitar la pérdida de fluidez de sus
membranas por efecto de la disminución de la temperatura.
Los principales fosfolípidos que se encuentran en las membranas son la fosfatidilcolina,
fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y esfingomielina. La razón por la cual hay tal variedad de fosfolípidos
quizás se deba a que serían necesarios para los distintos tipos de proteínas que se hallan asociadas a la
membrana, que únicamente podrían funcionar en presencia de grupos polares específicos, como los que
brinda la cabeza polar de los distintos tipos de fosfolípidos. Algunos fosfolípidos como el fosfatidilinositol,
son funcionalmente importantes pero se hallan en cantidades relativamente pequeñas A menudo las
membranas plasmáticas bacterianas están compuestas por un único tipo de fosfolípido y no contienen
colesterol. Contrariamente, la composición de la membrana celular de la mayoría de las células
eucarióticas es más variada conteniendo además algún esterol (colesterol en las células animales) y
glicolípidos. Las membranas plasmáticas de algunas células animales contienen cantidades
especialmente elevadas de colesterol, hasta una proporción de más de una molécula de colesterol por
cada molécula de fosfolípido. Las moléculas de colesterol se acomodan entre los fosfolípidos y actúan
como "amortiguadores de fluidez". A bajas temperaturas las moléculas de colesterol se interponen entre
las cadenas de hidrocarburos, con lo cual evitan que
se acerquen y formen interacciones de van der
Waals, los cuales provocarían la cristalización de la
membrana. Por otro lado, a temperaturas elevadas,
las moléculas de colesterol restringen el movimiento
excesivo de las cadenas de ácidos grasos
disminuyendo la fluidez de la membrana.
Las bicapas lipídicas, sobre todo las que se
encuentran en estado de cristal líquido, tienen
también otras propiedades biológicas importantes.
Las bicapas tienden a resistir la formación de
extremos libres: como resultado tienden a
autosellarse y casi en cualquier circunstancia forman
vesículas cerradas espontáneamente. Por último, en
condiciones apropiadas, las bicapas son capaces de fusionarse con otras. La fusión de membranas es un
fenómeno celular muy importante y que requiere de membranas en estado fluido para producirse. Cuando
una vesícula se fusiona con otra membrana, ambas bicapas y sus compartimientos forman una
continuidad. Esto permite tanto la transferencia de material de un compartimiento a otro, o el movimiento
de una vesícula secretora hacia afuera de la célula, mediante un proceso Ilamado exocitosis. De modo
similar, aunque inverso, la endocitosis permite la incorporación de grandes moléculas del exterior mediante
la formación de vesículas en alguna porción de la membrana.
Otro aspecto importante es que la bicapa lipídica es asimétrica, hecho que tiene una obvia
relación funcional y se refiere a la diferente composición lipídica de cada una de sus monocapas. En los
glóbulos rojos, la mayoría de las moléculas lipídicas que tienen colina en su grupo cabeza (fosfatidilcolina
y esfingomielina) se encuentran en la mitad exterior de la bicapa, mientras que la mayoría de las
moléculas de fosfolípido que contienen un grupo amino (fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina) se hallan
en la mitad interior. Algunos fosfolípidos, como el fosfatidilinositol, actúan como intermediarios en el
proceso de señalización celular: ante estímulos extracelulares, el fosfatidilinositol ubicado en el interior de
la membrana es primero fosforilado en dos oportunidades y luego hidrolizado en trifosfato de inositol y
diacilglicerol. Ambos fragmentos de la molécula actúan dentro de la célula como mensajeros solubles que
permiten la difusión de la señal hacia el interior de la célula.
Como ya se ha mencionado, la síntesis de fosfolípidos ocurre en el retículo endoplásmico liso y es
allí donde se genera la asimetría por traslocadores que trasladan específicamente moléculas de
fosfolípidos de una capa a la otra. Los fosfolípidos son sintetizados en la cara externa (citosólica). Si bien
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se sintetizan tanto fosfatidilcolina como el resto de los fosfolípidos, sólo la fosfatidilcolina pasa a la cara
interna de la membrana del retículo gracias a un traslocador fosfolipídico específico (una “flipasa”). La
pérdida de la asimetría de la membrana es una señal de muerte celular, ya que la exposición de
fosfatidilserina en la monocapa externa es un índice de apoptosis o muerte celular programada que
favorece la fagocitosis de estas células por macrófagos.
También existen glicolípidos en la membrana. Se presentan probablemente en las membranas
plasmáticas de todas las células animales, constituyendo el 5% de las moléculas de lípido de la monocapa
externa y son las moléculas que presentan una asimetría mas marcada en cuanto a su distribución en las
membranas celulares. Estas moléculas se encuentran exclusivamente en la mitad no citoplasmática de la
membrana plasmática. En la membrana plasmática, los grupos azúcares quedan al descubierto en la
superficie de la célula, lo que sugiere que deben desempeñar una función en las interacciones de la célula
con su entorno. Debido a que los azúcares se añaden en la cara luminal del aparato de Golgi, al formarse
la vesícula de transporte el residuo glicosídico queda hacia el interior de la misma, pero cuando ésta se
fusiona con la membrana plasmática, la porción glicosilada, que es hidrófila, queda hacia el exterior de la
célula. Hay variados tipos de glicolípidos: los más complejos contienen oligosacáridos con uno o más
residuos de ácido siálico que les proporciona carga negativa. Estos lípidos son más abundantes en la
membrana plasmática de células nerviosas.
La función de los glicolípidos puede ser variada: en las células epiteliales tapizan la cara que da al
epitelio, donde las condiciones son extremas (bajos o altos valores de pH, enzimas degradativas),
protegerían la integridad de las propias proteínas de membrana; también cumplen funciones aislantes,
como ocurre en la membrana que rodea el axón de las células nerviosas, tapizada totalmente por
glicolípidos en la cara externa. La presencia de carga eléctrica negativa en su molécula es responsable
también de la concentración de iones, especialmente Ca +2 en la superficie externa. Además desempeñan
una importante función en procesos de reconocimiento celular, ayudando a su vez a las células a unirse a
la matriz extracelular y a otras células.
Proteínas de membrana
Aunque la estructura básica de las membranas biológicas es provista por los fosfolípidos, la
mayoría de las funciones específicas de la membrana son llevadas a cabo por proteínas. De acuerdo con
ello, las cantidades y tipos de proteínas de membrana son muy variables: en la membrana mielínica, que
sirve de aislación eléctrica al axón de la neurona, menos del 25% son proteínas, en tanto que en las
membranas donde hay transducción energética (mitocondrias y cloroplastos) el porcentaje alcanza al 75%.
En promedio, hay un 50% de lípidos y otro tanto de proteínas, pero como las proteínas son mucho más
grandes, la relación numérica es de alrededor de 50 moléculas de fosfolípidos por cada molécula de
proteína.
Al principio, los investigadores encontraban difícil pensar que las proteínas se asociaran en otro
sitio que no fuese la superficie exterior de las membranas. Sin embargo en estudios fisicoquímicos de las
proteínas de membrana se mostró que gran parte de éstas son del tipo globular; esto significa que son
demasiado voluminosas como para asociarse sólo a la superficie de las membranas. Por último, se
obtuvieron pruebas por las cuales puede afirmarse que algunas proteínas se asocian con las membranas
de tal manera que una región (o dominio) de ellas se encuentra de un lado de la membrana y otra en el
lado opuesto. Por lo tanto, el modelo de la estructura de membrana más razonable es aquél en el que se
forma un mosaico de proteínas, en el cual gran parte de éstas son móviles y se extienden dentro o a
ambos lados de la bicapa lipídica.
Hoy se sabe que existen dos tipos de proteínas de membrana: proteínas integrales o
intrínsecas y proteínas periféricas o extrínsecas. Las proteínas integrales de membrana poseen
algunas regiones insertadas en las regiones hidrófobas de la bicapa lipídica. Algunas atraviesan toda la
membrana, de manera que gran parte de ellas se encuentra en alguno de los lados de la membrana; estas
proteínas integrales se llaman también proteínas transmembrana. Algunas otras proteínas integrales
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poseen solo una pequeña porción dentro de la bicapa que sirve como ancla y el resto de la molécula en el
citoplasma o hacia la superficie celular. Otras están casi por completo insertas en la región hidrófoba y
poseen cadenas polipeptídicas que atraviesan una y otra vez (incluso hasta doce veces) la bicapa lipídica.
Las proteínas integrales de membrana son capaces de insertarse en la bicapa lipídica debido a
que las porciones que lo hacen son hidrófobas y, por tanto, son compatibles con el interior de la
membrana. Cuando alguna proteína de membrana contiene una porción hidrofílica, ésta generalmente se
encuentra en protrusión por fuera de la superficie de la membrana, en contacto con el medio acuoso 2.
También las proteínas transmembránicas pueden estar unidas por una cadena de ácido graso a la
cara interna de la membrana, pasar una sola vez a través de la misma (1) o muchas veces (2), estar
solubles en el citosol pero ancladas a la cara interna por un resto acilo 3 o prenilo (3), o haber sido
sintetizadas como proteínas transmembrana en el retículo endoplásmico rugoso y unidas a un resto de
glicosilfosfatidilinositol, que las ancla a la cara externa de la membrana (4).
En las proteínas integrales, la parte que se halla dentro de la membrana usualmente adopta una
estructura en -hélice, con predominio de aminoácidos hidrofóbicos. Además este enrollamiento asegura
que todas las uniones peptídicas (que son polares) estén disminuidas en su polaridad debido a la
formación de puentes de hidrógeno. Sólo hacen falta 20-30 aminoácidos para atravesar la membrana en
forma de -hélice y sólo unos diez para hacerlo en forma de hoja -plegada. La mayoría de las proteínas
integrales atraviesan la membrana en forma de hélices , pero algunas (como las porinas de bacterias y
de mitocondrias) forman láminas
que se disponen en forma de barril ( “-barrel”). Las proteínas
integrales de membrana pueden ser solubilizadas por medio de detergentes, que en agua forman micelas.
El otro tipo de proteínas de membrana, las proteínas periféricas, pueden eliminarse de ésta sin
alterar la estructura de la doble capa. Por lo general se unen a regiones expuestas de proteínas integrales.
Las proteínas periféricas están usualmente asociadas por interacciones no covalentes a otras proteínas
transmembránicas y se pueden ubicar hacia adentro (5) o hacia fuera (6) de la membrana.
Si bien las proteínas pueden migrar dentro de la membrana, existen distintos dispositivos por los
cuales las células pueden confinar a las proteínas dentro de determinados dominios membranosos. En las
células epiteliales que tapizan el intestino y los túbulos renales, las proteínas que miran hacia la luz del
La diferencia entre proteínas solubles y proteínas ligadas a membranas no consiste en que una contenga aminoácidos
hidrófobos y la otra no, sino en que en aquéllas los aminoácidos hidrófobos se encuentran en el interior de la molécula, lejos
del medio acuoso, en tanto que en éstas las porciones hidrófobas de los aminoácidos se presentan en la superficie de la
molécula, en contacto con las cadenas de ácidos grasos de la bicapa lipídica
3 Un grupo acilo es un grupo derivado de un oxoácido, normalmente un ácido carboxílico, por eliminación de al menos un grupo
hidroxilo. Los derivados de un ácido carboxílico tienen como fórmula general R-CO-.
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tubo no pueden pasar hacia las paredes laterales o hacia la cara opuesta de la célula debido a la
existencia de uniones estrechas (se verán más adelante) que les impiden el paso. Sin embargo no es el
único medio, aunque en algunos casos no se conoce el mecanismo que impide la migración libre: en
espermatozoides de mamíferos las proteínas del ápice, del resto de la cabeza y de la cola forman tres
dominios perfectamente individualizables con anticuerpos fluorescentes, pero se desconoce cuál es la
función de dichas proteínas y las fuerzas que impiden su migración. Otros ejemplos de confinamiento de
proteínas en determinadas zonas de la membrana están dadas por asociación de proteínas con el
citoesqueleto (glóbulos rojos), o con la matriz extracelular, o con ambos, o puede haber interacciones entre
proteínas de dos células distintas en zonas de membrana contiguas.
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Asimetría de proteínas de las membranas
Una de las pruebas más evidentes de que las proteínas se insertan en la bicapa lipídica proviene
del estudio con microscopía electrónica por el método de criofractura, el cual prácticamente permite a los
investigadores observar las membranas de "adentro hacia afuera". Al comparar, con el método descrito,
las dos superficies de una membrana, se muestra que en una de estas superficies hay gran cantidad de
partículas, en tanto que en la otra superficie se observan muy pocas. Estas partículas son proteínas
embebidas en la doble capa de lípidos. De aquí se deduce que las proteínas presentes en una membrana
biológica están distribuidas de manera asimétrica. Cada lado de la membrana tiene características
diferentes debido a que cada proteína de membrana se orienta en la bicapa en un solo sentido. Esta
asimetría está dada por la forma tan específica en que se forman e intercambian las membranas de una
parte de la célula a otra.
Los hidratos de carbono se encuentran unidos a las porciones de las proteínas expuestas en la
superficie celular, y no a las que se internan al citoplasma. Esta distribución asimétrica de los hidratos de
carbono se debe a la forma en que las glucoproteínas se insertan en las membranas al ser sintetizadas.
Como se dijo, las proteínas de la membrana plasmática son producidas por ribosomas del retículo
endoplásmico rugoso (RER) y se insertan en la membrana de éste durante su síntesis. Los hidratos de
carbono se añaden a las proteínas en el lumen del RER. Si se sigue de cerca la gemación y fusión de
membrana que forman parte del proceso de transporte se podrá observar que la porción proteica en
protrusión hacia el compartimiento interno (cisterna) del RER también estará expuesta al interior del
complejo de Golgi, donde se encuentran las enzimas que modifican los hidratos de carbono de las
proteínas. La porción proteica permanecerá en el compartimiento interior al separarse del complejo de
Golgi para ser empaquetada en una vesícula secretora. Cuando la vesícula secretora se fusiona con la
membrana plasmática, la porción de la proteína que contiene el hidrato de carbono, orientado hacia el
interior de la vesícula, se convertirá en parte de la proteína de membrana expuesta en la superficie celular.
Funciones de las proteínas de membrana
¿Por qué motivo la membrana plasmática requiere de tantas proteínas distintas? La diversidad de
proteínas en una membrana refleja el número de funciones que se llevan a cabo en ella.
Habitualmente la manera en que una proteína se asocia a la bicapa lipídica es un indicativo de la
función de la proteína. Así, sólo las proteínas transmembrana pueden actuar a ambos lados de la bicapa o
transportar moléculas a través de ellas. Las proteínas de la membrana plasmática pueden ser clasificadas
en diferentes grupos, de acuerdo a la función que desempeñan:
a) Proteínas de adhesión celular, que unen firmemente las membranas de células adyacentes y actúan
como puntos de anclaje con componentes del citoesqueleto.
b) canales proteicos entre dos células (uniones de hendidura, permiten el paso de moléculas pequeñas
entre dos células vecinas.
c) Proteínas de transporte que permiten el transporte selectivo de moléculas esenciales, ya sea en
forma pasiva o en forma activa mediante procesos que requieren de energía.
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d)
e)
f)
Proteínas transductoras receptoras de señales, que se unen a moléculas portadoras de señales
externas y que luego transfieren el mensaje al interior de la célula.
Bombas dependientes de ATP, que transportan activamente iones de un compartimiento a otro,
constituyendo así un mecanismo de almacenamiento de energía (se verán en mitocondrias y
cloroplastos).
Algunas proteínas intrínsecas de la membrana actúan como enzimas, con sitios activos localizados
en la superficie de la membrana o en el interior de ella.
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PASO DE LOS MATERIALES A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS (Transporte de membrana)
Debido a su interior hidrofóbico, la bicapa lipídica de una célula constituye una barrera altamente
impermeable a la mayoría de las moléculas polares. Esta función de barrera es de especial importancia, ya
que permite a una célula mantener en su citosol ciertos solutos a concentraciones diferentes a las que
están en el fluido extracelular y en cada uno de los compartimientos intracelulares. Sin embargo, para
poder utilizar esta barrera las células han tenido que desarrollar sistemas para transportar específicamente
moléculas hidrosolubles a través de la membrana y así poder ingerir nutrientes esenciales, excretar los
productos de deshecho del metabolismo y regular las concentraciones intracelulares de iones. El
transporte de iones inorgánicos y de pequeñas moléculas
orgánicas hidrosolubles a través de la bicapa lipídica se
consigue mediante proteínas transmembrana especializadas,
cada una de las cuales es responsable de la transferencia de
una molécula o un ion específico o de un grupo de moléculas
afines.
El hecho de que una membrana permita el paso de
ciertas sustancias depende de su estructura y del tamaño y
carga eléctrica de las moléculas. Se dice que una membrana es
permeable para alguna sustancia si permite que ésta la cruce e
impermeable si no permite el paso de dicha sustancia. Una
membrana selectivamente permeable permite el paso de
algunas sustancias pero no el de otras. Todas las membranas
biológicas (aquellas que rodean a las células, núcleos,
vacuolas, mitocondrias, cloroplastos y otros organelos
celulares) son selectivamente permeables.
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Al reaccionar a las condiciones ambientales cambiantes o a las diversas necesidades de la célula,
la membrana puede constituir una barrera al paso de un compuesto determinado en cierto momento,
mientras promueve activamente su paso en otro momento. Mediante la regulación del tráfico químico de
esa manera, la célula controla su propia composición interna de iones y moléculas que puede ser muy
diferente a la del exterior. En el mundo abiótico, los materiales se mueven pasivamente por procesos
físicos como la difusión. En los seres bióticos, los materiales también se mueven activamente por procesos
fisiológicos como transporte activo, exocitosis y endocitosis. Esos procesos fisiológicos activos
demandan un gasto de energía por parte de la célula.
Difusión
Algunas sustancias se desplazan hacia adentro y afuera de las células, y se mueven dentro de
éstas por medio de un proceso llamado difusión simple, el cual se basa en el desplazamiento al azar.
Cuando se deja caer un terrón de azúcar en un vaso de precipitado lleno con agua, las moléculas de aquél
se disuelven y luego comienzan a difundirse hacia toda el agua del recipiente, como consecuencia de que
las moléculas de azúcar individuales se desplazan al azar en todas direcciones. En última instancia, la
difusión ocasiona una distribución uniforme de las moléculas de azúcar en toda el agua del vaso. Por lo
tanto, puede decirse que la difusión implica el movimiento neto de partículas en favor de un gradiente de
concentración (diferencia de concentración de una sustancia de un punto a otro).
La velocidad de difusión está en función del tamaño y forma de las moléculas, de sus cargas
eléctricas y de la temperatura. Al aumentar la temperatura, las moléculas se mueven con mayor rapidez y
aumenta la proporción de difusión. Este movimiento de las partículas pequeñas (llamado movimiento
browniano) constituye un modelo que explica el mecanismo de difusión de las moléculas.
Diálisis
La difusión de un soluto (una sustancia disuelta) a través de una membrana diferencialmente
permeable se llama diálisis. Para demostrar la diálisis se utiliza una bolsa de celofán, llena con una
solución de azúcar, que luego se sumerge en un matraz que contiene agua pura. Si la membrana de
celofán es permeable a azúcar y al agua, las moléculas de azúcar pasarán a través de ella hasta que la
concentración de azúcar en el agua de los dos lados de la membrana sea exactamente igual. A partir de
ese momento, las moléculas de soluto (así como también las moléculas de agua) seguirán pasando a
través de la membrana, pero ya no habrá ningún cambio neto en las concentraciones, ya que la velocidad
de movimiento será igual en ambos sentidos. La diálisis renal es una aplicación práctica de este proceso;
los productos de desecho, que se difunden a través de las membranas artificiales del aparato, pueden
retirarse del organismo, pero los eritrocitos, proteínas sanguíneas y otras moléculas grandes, no se
difunden a través de la membrana y por tanto se retendrán en el organismo.
El celofán con frecuencia se utiliza como "membrana artificial" Está compuesto por moléculas de
polisacáridos y puede formar una lámina delgada que permite el paso de moléculas de agua. Estas
membranas se fabrican con permeabilidad variable para diferentes solutos.
Con suficiente tiempo, prácticamente cualquier molécula acabará difundiendo a través de la bicapa
lipídica. Sin embargo la velocidad a la que se produce esta difusión varía enormemente dependiendo en
parte del tamaño de la molécula y principalmente de su solubilidad relativa. En general cuanto menor y
menos soluble en agua sea una molécula (es decir, cuanto más hidrofóbica o no polar) más rápidamente
difunde a través de la bicapa. Las moléculas pequeñas no polares (O 2, CO2) se disuelven fácilmente en la
bicapa lipídica y por lo tanto difunden con rapidez. Las moléculas polares no cargadas también difunden
rápidamente a través de la bicapa lipídica si su tamaño es reducido: por ejemplo agua, etanol y urea
atraviesan rápidamente una bicapa, el glicerol lo hace con menor rapidez y la glucosa prácticamente no la
atraviesa.
Las moléculas de agua, por ejemplo, pueden desplazarse fácilmente a través de una bicapa
lipídica fluida, pasando a través de brechas que se forman cuando una cadena de ácido graso se mueve
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CÉLULA I/Membranas Biológicas y Transporte
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momentáneamente. Por el contrario, las bicapas lipídicas son altamente impermeables a todas las
moléculas cargadas (iones) por muy pequeñas que sean; la carga y el grado de hidratación les impide
penetrar la fase hidrocarbonada de la bicapa.
Ósmosis
La ósmosis es una variedad especial de difusión y en consecuencia transporte pasivo, que implica
el movimiento de moléculas solventes (en este caso, el agua) a través de una membrana de permeabilidad
selectiva. Las moléculas de agua pasan libremente en cualquier dirección, pero al igual que en todos los
procesos de difusión, el movimiento neto ocurre a partir de la región de mayor concentración a la de
menor, separadas por una membrana semipermeable, para igualar concentraciones. De acuerdo al medio
en que se encuentre una célula, la ósmosis varía. Dicho proceso no requiere gasto de energía.
Permeabilidad de la bicapa lipídica a diferentes sustancias
Tipo de molécula
Hidrófoba
Polar pequeña
Polar grande
Iones y moléculas con carga
Ejemplo
N2, O2• hidrocarburos
H20, CO2, glicerol, urea
Glucosa y otros monosacáridos
y disacáridos sin carga
Aminoácidos, H+, HCO-3, Ca+,
Cl-; Mg+
Permeabilidad
Permeabilidad libre
Permeabilidad libre
No permeable
No permeable
Los principios que intervienen en el proceso de ósmosis se ilustran mediante la utilización de un
aparato llamado tubo en U. El tubo en U se divide en dos secciones por una membrana de permeabilidad
selectiva que impide el paso de las moléculas de soluto (glucosa, sal y otras) En una parte del tubo se
coloca una solución de agua y solutos; en la otra se coloca agua pura. La solución de agua y solutos
contiene una concentración de agua menor a la del agua pura, porque las moléculas de soluto han
"diluido" las moléculas de agua. Por tanto, hay un movimiento neto de moléculas de agua del lado del
agua pura (con mayor concentración de moléculas de agua) hacia el lado del agua con soluto (que tiene
menor concentración de moléculas de agua), como resultado de esto el nivel de líquido del lado del agua
pura disminuye, mientras que se eleva el del lado del agua con soluto. Sin embargo, aún existe una
diferencia en la concentración de las moléculas de agua entre ambos lados, debido a que las moléculas de
soluto no pueden moverse a través de la membrana. El movimiento neto de agua continuará, y el nivel de
líquido del lado del agua con soluto seguirá aumentando. En condiciones no sujetas a la gravedad, este
proceso continuaría indefinidamente, pero en la tierra, el peso de la columna de líquido en aumento
finalmente ejercerá una presión suficiente para detener el cambio en los niveles de líquido, aunque las
moléculas de agua continuarán pasando a través de la membrana en ambas direcciones.
La presión osmótica de una solución está relacionada con la tendencia que presenta el agua de
moverse hacia dicha solución mediante ósmosis. En el ejemplo del tubo en U se podría medir la presión
osmótica insertando un pistón del lado del agua con soluto y midiendo la presión necesaria que debe
ejercer el pistón para evitar el aumento en el nivel del líquido de dicho lado del tubo. Una solución con una
alta concentración de soluto tendrá una baja concentración de agua y una elevada presión osmótica; en
cambio, una solución con una baja concentración de soluto tendrá una elevada concentración de agua y
una baja presión osmótica.
Soluciones isotónicas, hipertónicas e hipotónicas
Con frecuencia deseamos comparar las presiones osmóticas de dos soluciones. En todo
compartimiento de una célula viva se encuentran disueltas sales, azúcares y otras sustancias que le
confieren a dicho líquido una determinada presión osmótica. Cuando una célula se coloca en una solución
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CÉLULA I/Membranas Biológicas y Transporte
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cuya presión osmótica es igual a la suya, no hay movimiento neto de moléculas de agua, ni hacia afuera ni
hacia adentro de ella; por tanto, la célula no se hincha ni se encoge. Se dice que el líquido en el cual se
colocó la célula es un líquido isotónico (es decir que tiene presión osmótica igual) con respecto al líquido
del interior de la célula. Normalmente, el plasma de la sangre (componente líquido de ella) y los demás
líquidos corporales son isotónicos con respecto al líquido intracelular; es decir, contienen una
concentración de agua igual a la del líquido intracelular. Una solución de cloruro de sodio al 0,9% (llamada
solución salina fisiológica) es isotónica respecto a las células humanas y a las células de otros mamíferos.
Los eritrocitos humanos colocados en una solución de cloruro de sodio al 0,9% no se encogen ni se
hinchan.
Concentración de solutos
Concentración de
en la Solución A
solutos en la Solución B
Mayor
Menor
Mayor
Mayor
Igual
Igual
Tonicidad
A es hipertónica respecto a B;
B es hipotónica respecto a A
B es hipertónica respecto a A.
A es hipotónica respecto a B
Isotónica
Dirección de
movimiento del agua
B hacia A
A hacia B
No hay movimiento
neto
Si el líquido circundante tiene una
concentración de solutos mayor que la del
líquido intracelular y, por tanto, una presión
osmótica mayor que la de éste se dice que es
una solución hipertónica; una célula colocada
en una solución hipertónica pierde agua y por
tanto, se encoge. Así, los eritrocitos humanos
colocados en una solución de cloruro de sodio
al 1,3% pierden agua y se encogen. Cuando
una célula con pared celular se coloca en un
medio hipertónico pierde agua, y entonces su
contenido disminuye dentro de la pared celular;
este proceso se llama plasmólisis. Dicho
fenómeno se observa en las plantas cuando se
EN SOLUCIÓN
EN SOLUCIÓN
EN SOLUCIÓN
depositan grandes cantidades de sales o
ISOTÓNICA
HIPERTÓNICA
HIPOTÓNICA
fertilizantes en la tierra o agua que las rodea. Si
el líquido circundante posee una concentración de solutos menor que la del líquido intracelular, y por lo
tanto tiene una presión osmótica menor que la de éste, se denomina solución hipotónica; en estas
circunstancias, el líquido se desplazará hacia el interior de la célula, provocando que ésta se hinche,
ejerciendo presión contra las membranas celulares llamada presión de turgencia, las cuales se ponen
tensas, fenómeno llamado turgencia (del latín turgens- turgentis; hinchar). En una solución de cloruro de
sodio al 0,6%, el agua entra hacia el interior de los eritrocitos, provocando el hinchamiento de éstos y
eventualmente su ruptura o lisis (visualizado por la disolución de la hemoglobina en el líquido hipotónico,
que lo colorea de rojo). Las paredes celulares rígidas de células vegetales, algas, bacterias y hongos
hacen posible que esos organismos vivan sin reventar en un medio externo muy diluido, que contenga una
concentración muy baja de solutos. Debido a las sustancias disueltas en el citoplasma, las células son
hipertónicas respecto al medio externo (el medio circundante es hipotónico respecto al citoplasma.). El
agua tiende a difundir hacia el interior de las células por ósmosis, llenando sus vacuolas centrales y
distendiéndolas. La presión de turgencia es un factor importante en el sostén del cuerpo de las plantas
herbáceas. Por este motivo, una flor se marchita cuando la presión de turgencia de sus células disminuye
(las células han sufrido plasmólisis) por falta de agua.
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CÉLULA I/Membranas Biológicas y Transporte
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Transporte mediado de moléculas pequeñas
La membrana celular es relativamente impermeable a casi todas las grandes moléculas polares.
Esto constituye una ventaja biológica para la célula, ya que casi todos los compuestos metabolizados en
su interior son polares y la impermeabilidad de la membrana impide su pérdida por difusión. Para
transportar nutrientes polares, como glucosa y aminoácidos, a través de la membrana lipídica hacia el
interior de la célula, han aparecido a lo largo de la evolución sistemas de proteínas transportadoras que se
unen a esas moléculas y facilitan su pasaje a través de la membrana. El paso de solutos a través de la
membrana celular por el sistema de transporte se llama transporte mediado.
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Transporte Pasivo (Difusión facilitada)
Algunas moléculas son demasiado grandes como para difundir a través de los canales de la
membrana y demasiado insolubles en lípidos como para poder difundir a través de la capa de fosfolípidos.
Tal es el caso de azúcares como la glucosa, aminoácidos, nucleótidos y muchos metabolitos. En los casos
más simples, la célula utiliza la energía almacenada por el gradiente de concentración de una sustancia
Comparación entre un transporte pasivo a favor del gradiente electroquímico y el transporte
activo en contra del gradiente electroquímico
cuya concentración es mayor en el líquido extracelular que en el intracelular. En estas circunstancias,
mientras la membrana sea permeable a dicha sustancia, ésta se desplazará hacia el interior de la célula.
Para que esto suceda se necesita de la presencia de proteínas especiales de membrana. Este tipo de
transporte se llama transporte pasivo o difusión facilitada.
La difusión facilitada depende de la existencia de proteínas transportadoras, las cuales se
combinan temporalmente con la molécula de soluto para acelerar el paso de ésta a través de la membrana
celular. Cada proteína está destinada al transporte de un tipo particular de molécula y con frecuencia de
una cierta especie molecular, por lo que presentan especificidad. La proteína transportadora no se
modifica por esta acción; después de transportar la molécula de soluto, queda libre para unirse a una
nueva molécula. Todas las proteínas de transporte estudiadas son proteínas transmembranales. La
difusión facilitada es mucho más rápida que la difusión simple y depende:
CÉLULA I/Membranas Biológicas y Transporte
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* Del gradiente de concentración de la sustancia a ambos lados de la membrana
* Del número de proteínas transportadoras existentes en la membrana
* De la rapidez con que estas proteínas hacen su trabajo
El transporte de las moléculas de
glucosa en los eritrocitos es un buen
ejemplo de difusión facilitada por
transportador. Las moléculas que
transportan glucosa son glucoproteínas;
éstas comprenden un 2% de las proteínas
totales de la membrana. Las células
mantienen una baja concentración interna
de glucosa mediante la adición inmediata
de un fosfato a las moléculas de glucosa
que entran en ellas: de esta manera
convierten dichas moléculas en fosfatos
de glucosa con elevada carga eléctrica y,
así, no pueden regresar al otro lado de la
membrana. El mecanismo de transporte
de glucosa no se comprende a fondo.
Parece que la proteína transportadora no
forma un “hoyo” en la membrana para que
la glucosa pase a través de él; si tal fuera
el caso, otras moléculas similares a la glucosa y algunas moléculas más pequeñas que ésta también
podrían pasar a través del "hoyo". Al parecer, lo que ocurre es que la glucosa se une de modo específico a
una porción de proteína expuesta en la superficie celular externa, y con esto, modifica la conformación de
la proteína, de manera que se abre un canal dentro de la proteína misma (o entre varias subunidades de la
misma cadena polipeptídica), que permite el paso de la molécula de glucosa para liberarla en el interior de
la célula. Según este modelo, una vez que la glucosa se libera en el interior de la célula, la proteína
recupera su conformación original y está lista para unirse nuevamente a una molécula de glucosa en la
superficie celular. Otra clase de proteínas transportadoras son las formadoras de canal; estas no se unen
al soluto sino que forman poros hidrofílicos que atraviesan la bicapa lipídica, que al estar abiertos
permiten que determinados solutos (habitualmente iones inorgánicos de tamaño y carga apropiados)
puedan pasar a su través y por lo tanto atravesar la membrana).
Transporte activo
Algunas moléculas se transportan a través de la célula mediante el proceso de difusión; a otras las
requiere la célula en concentraciones mayores a su concentración extracelular. Estas moléculas se
incorporan mediante mecanismos de
transporte activo. Este mecanismo
exige una fuente de energía debido a
que el transporte activo implica el
"bombeo" de una molécula en contra de
su gradiente de concentración (de una
zona de baja concentración hacia una
de concentración elevada). Por tanto,
los sistemas de transporte activo
utilizan energía generada por el
metabolismo celular en forma de
trifosfato de adenosina (ATP) o bien
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CÉLULA I/Membranas Biológicas y Transporte
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utilizan algún otro tipo de energía almacenada, derivada de la hidrólisis del ATP. Los sistemas de
transporte activo están basados en permeasas específicas e inducibles. Las permeasas son enzimas que
transportan sustancias a través de la membrana celular, sea hacia el interior o hacia el exterior de la célula
al mismo tiempo que rompen por hidrolisis un enlace fosfato del ATP.
Un ejemplo de transporte activo es la bomba de calcio esta es una proteína de la membrana
celular de todas las células eucariotas. Su función consiste en transportar calcio iónico (Ca2+) hacia el
exterior de la célula, gracias a la energía proporcionada por la hidrólisis de ATP, con la finalidad de
mantener la baja concentración de Ca2+ en el citoplasma que es unas diez mil veces menor que en el
medio externo, necesaria para el normal funcionamiento celular. Se sabe que las variaciones en la
concentración intracelular del Ca2+ (segundo mensajero) se producen como respuesta a diversos
estímulos y están involucradas en procesos como la contracción muscular, la expresión genética, la
diferenciación celular, la secreción, y varias funciones de las neuronas. Dada la variedad de procesos
metabólicos regulados por el Ca2+, un aumento de la concentración de Ca2+ en el citoplasma puede
provocar un funcionamiento anormal de los mismos. Si el aumento de la concentración de Ca2+ en la fase
acuosa del citoplasma se aproxima a un décimo de la del medio externo, el trastorno metabólico producido
conduce a la muerte celular. El calcio es el mineral más abundante del organismo, además de cumplir
múltiples funciones.
Uno de los ejemplos más sorprendentes de los mecanismos de transporte activo es la bomba de
sodio y potasio que se observa en todas las células animales. Esta bomba consta de una proteína
específica, localizada en la membrana plasmática, que utiliza ATP para intercambiar iones de sodio del
interior de la célula por iones de potasio de su exterior. Esto provoca un desequilibrio en la concentración
de iones de sodio y potasio en los lados opuestos de la membrana, de manera que en condiciones
normales, la concentración de potasio sea de 10 a 15 veces mayor en el interior que en el exterior de la
célula y a la inversa para el sodio. Las células son capaces de utilizar estos enormes gradientes de
concentración para generar un potencial eléctrico (separación de cargas eléctricas) a través de la
membrana, el cual constituye la base para la transmisión de los impulsos eléctricos necesarios para la
transmisión de los impulsos nerviosos. Estos gradientes de concentración también almacenan energía, la
cual puede utilizarse para la conducción de otros mecanismos de transporte activo. El gradiente
electroquímico producido por estas bombas es tan importante que de hecho algunas células (p. ej., las
células nerviosas) utilizan el 70% de su energía en el funcionamiento de este sistema de transporte.
El uso de los potenciales electroquímicos con tales propósitos no es exclusivo de la membrana
plasmática de las células animales. Las células de plantas y hongos también utilizan bombas impulsadas
por ATP con las cuales "bombean" protones del citoplasma hacia el exterior de la célula. La salida de
protones (con carga positiva) del interior de la célula provoca una enorme diferencia en la concentración
de ellos, de manera que el exterior tiene carga positiva y el interior negativo. Como se verá más adelante,
estas bombas de protones que utilizan ATP, usadas en sentido inverso para producir ATP en bacterias,
mitocondrias y cloroplastos, constituyen el principal transductor de energía en todas las células, desde las
bacterias hasta las células de plantas y animales complejos.
La hipótesis aceptada en la actualidad sostiene que la bomba de sodio y potasio (y otras bombas
que requieren ATP) está formada por proteínas transmembranales que se extienden a través ella. La
proteína tiene centros de unión para el Na+ y el ATP en su superficie citoplasmática y para K + en su
superficie externa. Después de una serie de cambios en su conformación son capaces de intercambiar
sodio por potasio a través de la membrana celular. A diferencia de la difusión facilitada, parte de los
cambios de conformación de la proteína durante el ciclo de bombeo requieren de la energía liberada por el
ATP. Parece que la energía se transfiere del ATP a la bomba mediante la formación de un enlace
covalente entre uno de los fosfatos del ATP y la proteína, seguido por la retirada del mismo en etapas más
avanzadas del ciclo de bombeo. Debido al bombeo de 3 iones Na+ positivamente cargados hacia el
exterior de la célula cada dos que bombea hacia el interior, se dice que la bomba es electrogénica, es
decir dirige una corriente neta a través de la membrana tendiendo a crear un potencial eléctrico, con el
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CÉLULA I/Membranas Biológicas y Transporte
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interior negativo con relación al exterior. Por otra parte la bomba tiene un papel directo regulando el
volumen celular a través de sus efectos osmóticos, que pueden hacer que la célula se hinche o se
retraiga. Por último, también se utiliza para dirigir el transporte de azúcares y aminoácidos hacia el interior
de la célula, como se verá a continuación.
Transporte activo secundario o
cotransporte
Algunas proteínas de transporte
actúan como transportadores acoplados,
en los que la transferencia de un soluto
depende de la transferencia simultánea o
secuencial de un segundo soluto, ya sea
en la misma dirección (transporte
unidireccional) o en dirección opuesta
(bidireccional).
En el sistema de transporte más simple, conocido como uniporte, un soluto en particular se mueve
directamente a través de la membrana en una dirección. En el tipo de cotransporte conocido como
simporte dos solutos diferentes se mueven a través de la membrana, simultáneamente y en el mismo
sentido. Así, las proteínas transportadoras actúan como transportadores acoplados. Frecuentemente, un
gradiente de concentración, que involucra a uno de los solutos transportados, impulsa el transporte del
otro; por ejemplo, un gradiente de concentración de iones Na+ frecuentemente impulsa el cotransporte de
moléculas de glucosa. En otro tipo de sistema de cotransporte, conocido como antiporte, dos solutos
diferentes se mueven a través de la membrana, simultánea o secuencialmente en sentidos opuestos. La
bomba o ATPasa Na+-K+ es un ejemplo de sistema de cotransporte antiport o antiporte.
Sistemas de transporte múltiple integrado
En algunas células se observa el funcionamiento de más de un sistema de transporte para una
sustancia determinada. Por ejemplo, el transporte de la glucosa del intestino hacia el torrente circulatorio
se lleva a cabo a través de una delgada capa de células epiteliales que recubren la luz del intestino y que
poseen regiones especializadas, o dominios, en su membrana plasmática. La superficie de estas células,
expuesta en el intestino, posee una gran cantidad de microvellosidades o protrusiones digitiformes que
incrementan con eficacia la superficie de membrana disponible para absorción. El transporte de glucosa en
esta zona de la superficie celular es parte de un sistema de transporte activo que se efectúa en
cotransporte con el sodio. La concentración intracelular de sodio se mantiene baja por función de una
bomba de sodio y potasio en la superficie opuesta de la célula, que bombea el sodio hacia el torrente
circulatorio. Gracias a su elevada concentración dentro de la célula, la glucosa puede ser transportada
hacia el torrente circulatorio mediante difusión facilitada.
La localización de dos proteínas diferentes que participan en el transporte de glucosa en dos
regiones distintas de una misma membrana plasmática se produce gracias a la presencia de uniones
especializadas en la célula (“uniones estrechas”, se verá en el módulo 6). Si una célula careciera de un
mecanismo específico para determinar este proceso, entonces las proteínas estarían distribuidas al azar
en ambas superficies de la célula; luego, no habría transporte neto de glucosa.
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CÉLULA I/Membranas Biológicas y Transporte
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La distribución asimétrica de las proteínas transportadoras en la membrana plasmática de una célula
epitelial intestinal da lugar al transporte transcelular de glucosa a través del epitelio intestinal
Transporte de grandes moléculas a través de las membranas o transporte en masa
En la difusión simple, en la difusión facilitada y en el transporte activo las moléculas individuales y
los iones pasan a través de la membrana celular. Sin embargo, en ocasiones también es necesario el
desplazamiento de cantidades más grandes de material o de partículas de alimento o incluso de células
completas, hacia afuera o adentro de una célula. Esto implica un gasto de energía por parte de la célula y
en ocasiones conlleva también la fusión de membranas. En la endocitosis, la célula incorpora materiales
hacia su interior. La endocitosis es el proceso celular, por el que la célula mueve hacia su interior
moléculas grandes o partículas, englobándolas en una invaginación de su membrana citoplasmática,
formando una vesícula que luego se desprende de la membrana celular y se incorpora al citoplasma. Esta
vesícula, llamada endosoma, luego se fusiona con un lisosoma que realizará la digestión del contenido
vesicular.
Existen tres procesos de endocitosis:
1. Pinocitosis: ("bebido por células"), consiste en la ingestión de líquidos y solutos mediante
pequeñas vesículas. En este tipo de endocitosis, la célula incorpora materiales disueltos. Algunos
pliegues de la membrana plasmática engloban gotas de líquido, las cuales emergen en el
citoplasma celular en forma de pequeñas vesículas. El contenido líquido de estas vesículas se
libera lentamente en el citoplasma celular y las vesículas van disminuyendo poco a poco de
tamaño, hasta el punto en que parecen desvanecerse.
2. Fagocitosis: (literalmente "ingesta de células") consiste en la ingestión de grandes partículas
sólidas (como bacterias o nutrientes) que se engloban en grandes vesículas (fagosomas) que se
CÉLULA I/Membranas Biológicas y Transporte
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desprenden de la membrana celular. La fagocitosis es el mecanismo utilizado por protozoarios y
leucocitos para ingerir partículas, incluso algunas tan grandes como una bacteria completa.
Durante la ingestión, los pliegues de la membrana celular engloban a la partícula, que se ha unido
a la superficie celular, y forman una vacuola o vesícula alrededor de ella. Una vez que la
membrana ha encerrado a la partícula en cuestión, se fusiona en el punto de contacto e ingresa
en el citoplasma. Posteriormente la membrana de la vesícula se fusiona con la membrana del
lisosoma (que contienen enzimas hidrolíticas), donde el material es ingerido y degradado. A veces
también se degradan por este mecanismo organelos celulares (una mitocondria, en el ejemplo),
envolviendo al organelo en una vesícula formada con membranas del retículo endoplásmico; a
este proceso se lo denomina autofagocitosis.
3. Endocitosis mediada por receptor o ligando: es de tipo específica, captura macromoléculas del
ambiente, fijándose a través de proteínas receptoras ubicadas en la membrana plasmática. Luego,
las moléculas ligadas al receptor emigran hacia las depresiones revestidas, que son regiones de
la superficie citoplásmica de la membrana recubiertas con estructuras en forma de cepillo
(proteínas denominadas clatrinas), momentáneamente forman una estructura en forma de cesto
alrededor de ellas. Algunos segundos después, las vesículas son liberadas dentro del citoplasma;
sin embargo, el recubrimiento se separa de ellas, dejando a las vesículas libres en él. En seguida,
las vesículas se fusionan con otras vesículas semejantes y forman endosomas, vesículas más
grandes que transportan materiales libres, que no están unidos a los receptores de membrana.
Los endosomas forman dos tipos de vesículas: unas contienen receptores que pueden regresar a
la membrana; otras, que contienen las partículas ingeridas, se fusionan con los lisosomas y
después son procesadas por la célula. La endocitosis mediada por receptor resulta ser un proceso
rápido y eficiente. La endocitosis mediada por receptores es un proceso importante: por su medio,
Endocitosis mediada por receptores
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las células animales incorporan hacia su interior el colesterol del torrente circulatorio. Gran parte
del mecanismo de esta variedad de endocitosis fue detallada en estudios del receptor de
lipoproteínas de baja densidad (LDL, “low density lipoproteins”). El LDL está constituido por
proteína flanqueada por moléculas de fosfolípidos y colesterol; en el centro hay un acumulo de
moléculas de colesterol esterificado con ácidos grasos de cadena larga. Las partículas de proteína
de baja densidad (LDL) se unen a proteínas receptoras específicas en la membrana plasmática.
Los complejos receptores de LDL se mueven a lo largo de la superficie y se agrupan en la región
de placas recubiertas con clatrina de la membrana plasmática. La endocitosis de tales placas
recubiertas da por resultado la formación de vesículas recubiertas en el citoplasma celular.
Algunos segundos después el recubrimiento de clatrina se elimina y las vesículas se fusionan con
otras similares hasta formarse grandes vesículas (endosomas jóvenes “early endosomes”). En
estas estructuras, los receptores y las partículas de LDL se disocian, separan y dirigen hacia
diferentes regiones de la vesícula. A partir de los endosomas se forman nuevas vesículas. Las
vesículas que contienen los receptores se desplazan hacia la superficie y se fusionan con la
membrana plasmática, en la cual los receptores son reciclados. Las vesículas que contienen
partículas de LDL se fusionan con los lisosomas. Finalmente el colesterol se libera por medio de
diversas enzimas hidrolíticas: sólo entonces puede utilizarlo la célula. Las personas con
incapacidad hereditaria para la producción de receptores de membrana para el LDL (puede faltar
el gen o fabricar un receptor defectuoso, incapaz de unirse a la cubierta de clatrinas) son
propensas a arterioesclerosis prematura y a sufrir ataques cardíacos.
El reciclaje del receptor de LDL a la membrana plasmática a través de la formación de vesículas
ilustra un problema común a todas las células que emplean los mecanismos de endocitosis y exocitosis.
En las células que secretan sustancias en forma continua, una
porción equivalente de membrana debe incorporarse al interior
de la célula por cada vesícula que se fusiona con la membrana
plasmática; de no ocurrir así, la superficie de la célula estaría
en expansión constante, aunque el crecimiento de la célula
esté limitado. Existe una situación similar para las células que
realizan endocitosis. Los macrófagos, por ejemplo, incorporan
en forma de vesículas el equivalente del total de su volumen en
cerca de 30 minutos, y requieren un reciclamiento similar para
que las células mantengan su área de superficie y su volumen.
La exocitosis es el proceso celular por el cual las
vesículas situadas en el citoplasma se fusionan con la
membrana citoplasmática, liberando su contenido. En la
exocitosis una célula expulsa productos de desecho o
productos específicos de secreción (como hormonas, p. ej.
insulina), mediante la fusión de una vesícula con la membrana Neurona A (transmisora) a neurona B (receptora)
plasmática de la célula. La exocitosis consiste en la fusión de la 1. Mitocondria
2. Vesícula sináptica con neurotransmisores
membrana de la vesícula secretora con la membrana plasmática. 3. Autoreceptor
4. Sinapsis con neurotransmisores liberados
Este es también un mecanismo primario de crecimiento de la
(Serotonina)
membrana plasmática. La exocitosis se observa en muy diversas 5. Receptores Post-sinápticos activados por
neurotransmisores (inducción de un Potencial
células secretoras, tanto en la función de excreción como en la
postsináptico)
función endocrina. También interviene la exocitosis en la
6. Canal de calcio
7. Exocitosis de una vesícula
secreción de un neurotransmisor a la brecha sináptica, para
8. neurotransmisor recapturado.
posibilitar la propagación del impulso nervioso entre neuronas. La secreción química desencadena una
despolarización del potencial de membrana, desde el axón de
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la célula emisora hacia la dendrita (u otra parte) de la célula receptora. Este neurotransmisor será luego
recuperado por endocitosis para ser reutilizado. Sin este proceso, se produciríaun fracaso en la
transmisión del impulso nervioso entre neuronas.
La secreción puede ser constitutiva, como cierto tipo de proteínas que son regularmente
secretadas por la célula, o ser una secreción regulada, cuando es necesario que una sustancia externa
(una señal, como una hormona o un neurotransmisor) desencadene un proceso (transducción de señal)
que finaliza con la secreción de una sustancia producida por la célula que es requerida en el medio
extracelular.
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CÉLULA I/Membranas Biológicas y Transporte
Gonzalo Vázquez Palacios
BIBLIOGRAFIA
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Stryer L.(1992). Bioquímica. Ed. Reverté. 3ra Edic.1992.
CUESTIONARIO TEÓRICO
1. ¿Por qué se dice que las membranas celulares no son paredes rígidas sino estructuras complejas y
dinámicas?
2. ¿Cómo podría explicar el “modelo del mosaico fluido” y cuál es su relación con el comportamiento de las
membranas biológicas?
3. ¿Qué características tiene una sustancia anfipática? ¿Todas las moléculas que integran la membrana
plasmática son anfipáticas?
4. ¿La membrana plasmática es simétrica o asimétrica? ¿Cuál es el efecto funcional de este hecho?
5. ¿Cuál es la función de las proteínas presentes en la membrana plasmática? ¿Qué tipos de proteínas de
membrana conoce?
6. ¿Cómo explica que si en la membrana plasmática hay un 50% de lípidos y otro tanto de proteínas, la
relación numérica sea de alrededor de 50 moléculas de fosfolípidos por cada molécula de proteína?
7. Explique por qué es falsa esta expresión: “la diferencia entre proteínas solubles y proteínas ligadas a
membranas consiste en que una no contiene aminoácidos hidrofóbicos y la otra sí”
8. ¿Qué diferencias existen entre los fenómenos de difusión, diálisis y ósmosis?
9. ¿De qué depende que una solución sea isotónica, hipotónica o hipertónica?
10. Los iones, azúcares, aminoácidos, nucleótidos y muchos metabolitos ingresan a la célula por el
mecanismo de difusión facilitada. ¿Es necesario algún componente especial en la membrana
plasmática para que esto suceda?
11. ¿A qué se denomina “transporte activo” de moléculas a través de la membrana plasmática? Mencione
ejemplos.
12. ¿Qué diferencia hay entre la endocitosis, la fagocitosis y la autofagia? ¿Qué es lo que tienen en común?
13. Describa la endocitosis mediada por receptores.
14. ¿En qué consiste un sistema de transporte múltiple integrado? Proporcione un ejemplo.
15. ¿Qué entiende por exocitosis? ¿Qué diferencias existen entre una secreción constitutiva y una secreción
regulada?
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CÉLULA I/Membranas Biológicas y Transporte
Gonzalo Vázquez Palacios
El transportador defectuoso de la fibrosis quística
UN ACERCAMIENTO A LAS MEMBRANAS
CELULARES
Sin importar qué tan pequeña sea una célula, es
un ser vivo que lleva a cabo operaciones
peligrosas. Piensa en las células de todo tu cuerpo
y en cómo deben responder a algo tan común
como el agua. En todo momento deben desplazar
el agua y los solutos en uno y otro sentido de su
membrana plasmática. Las sustancias que pasan
a través de la membrana deben ser
cuidadosamente seleccionadas, ya que del
mantenimiento de las condiciones favorables
depende la supervivencia de cada célula, en último
término, de todo el cuerpo. Cuando todo va bien,
las células toman y expulsan las cantidades
precisas, ni muy bajas, ni excesivas. Pero no
siempre salen bien las cosas. Existe un canal
proteico, llamado CFTR, que como todos los
canales atraviesa la membrana plasmática de las
células epiteliales. Este tipo de células formado un
tejido formado por una o varias capas de células
unidas entre si que recubren todas las superficies
libres del organismo, y constituyen el recubrimiento
interno de las cavidades, órganos huecos,
conductos del cuerpo y la piel y que también
forman las mucosas y las glándulas.
Representación esquemática del canal CFTR. Este se
compone de 5 dominios: dos dominios membrana-llave,
que forman el canal del ion cloruro; dos dominios
nucleótidos-vinculantes que unen e hidrolizan ATP, y un
dominio regulador.
En condiciones de salud, los iones cloruro
atraviesan dichas células junto con el agua para
formar una delgada capa sobre la superficie de
estos recubrimientos. La mucosidad, que lubrica
los tejidos y ayuda a evitar infecciones, se desliza
libremente y sin dificultad sobre la película acuosa.
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En ocasiones, la codificación genética para el
regulador de la conductancia transmembrana de la
fibrosis quística, en inglés cystic fibrosis
transmembrane conductance regulator o para los
amigos CFTR, muta lo que provoca que el cloruro
y el agua no atraviesen de manera adecuada los
epitelios, de modo que no se forma el resbaladizo
recubrimiento. En su ausencia, la mucosidad se
hace espesa, se seca y su flujo se dificulta. Esto
provoca que, por ejemplo, se obstruyan los
conductos del páncreas, que las enzimas
digestivas no puedan llegar al intestino delgado, en
consecuencia los alimentos no se digieren y no
son absorbidos lo que genera a su vez que la
persona baje de peso. Las glándulas sudoríparas
excretan el exceso de sal alterando el equilibrio de
agua y sodio del cuerpo, lo cual afecta al corazón y
a todos los órganos con tejido epitelial. En los
varones ocasiona esterilidad.
¿Pero qué ocurre con las vías respiratorias? Por lo regular,
las células ciliadas, con finas estructuras semejantes a
pelos, barren los gérmenes y partículas de polvo que
inhalamos y que son atrapadas en la capa de moco que
recubre las vías aéreas. Pero en este caso no sucede así,
se forman biocapas, estructuras espesas y pegajosas
constituidas de poblaciones de bacterias ancladas sobre el
recubrimiento mucoso. Las biocapas resisten fuertemente
las defensas del cuerpo y a los antibióticos. La
Pseudomona aeruginosa es la más eficiente de las
colonizadoras, y es la causante de infecciones crónicas. La
mayoría de los pacientes con fibrosis quística (FQ) mueren
por insuficiencia pulmonar y, en general no tienen una
expectativa de vida mayor de 30 años.
La CFTR mutante es la proteína que inicia todos estos
eventos de la FQ, que en la actualidad es uno de los
trastornos genéticos mortales más común en niños. De
CÉLULA I/Membranas Biológicas y Transporte
Gonzalo Vázquez Palacios
acuerdo con la Asociación
Mexicana de FQ, alrededor de
400 niños nacen cada año en
México con esta enfermedad, sin embargo, con los
recursos e infraestructura actuales, solamente el 15% de
ellos son diagnosticados con vida, el resto, 85%, fallece
antes de cumplir los 4 años de edad por complicaciones
respiratorias y desnutrición. Se cree que existen
actualmente en nuestro país alrededor de 6,000 niños con
FQ los cuales no tienen acceso a un tratamiento
especializado.
1)
Fibrosis quística: la frontera del conocimiento molecular y sus
aplicaciones clínicas. Lorena Orozco, et al. (2006). Rev Inv
Clin
58(2):
139-152.
http://www.scielo.org.mx/pdf/ric/v58n2/v58n2a7.pdf
2)
Fibrosis quística: Guías clínicas para el diagnostico y
tratamiento, Dr. José Luis Lezama Fernández (Editor).
Editorial Intersistemas. México D.F., 2008.
http://www.fibrosisquistica.org.mx/home/data/docs/Fibrosis_Q
uistica.pdf
3)
La fibrosis quística y el gen CFTR.
http://atlasgeneticsoncology.org/Educ/CistFibID30032SS.html
4)
CFTR: Más que un canal de cloro. Dr. Luis E. Vega-Briceño.
Rev Chil Pediatr 2005; 76:464-70.
http://www.neumologia-pediatrica.cl/pdf/201051/CFTR.pdf
5)
CFTR: 15 años después del descubrimiento de un gen.
VEGA-BRICEÑO Luis Enrique. Rev Med Hered 15 (3), 2004
159.
http://www.scielo.org.pe/pdf/rmh/v15n3/v15n3tr1.pdf
Asociación Mexicana de Fibrosis Quística A.C. (AMFQ)
http://www.fibrosisquistica.org.mx/home/index.php?id=1
La CFTR pertenece a la familia de transportadores ABC,
que son proteínas membranales presentes en todas las
especies procariontes y eucariontes. El gen para CFTR,
cuya alteración es responsable de esta enfermedad, tiene
27 exones y se extiende sobre 250 kb del cromosoma 7
(7q31) dando lugar a un RNAm de 6,5 kb. La mutación más
común es una deleción de los tres nucleótidos que
componen al codón de la fenilalanina (F) en la posición 508
del gen. Una persona con la mutación CFTRΔF508
producirá la proteína CFTR que carece de este residuo de
fenilalanina, por lo que no funciona correctamente. En el
70% de los pacientes con FQ, la pérdida de un solo
aminoácido durante la síntesis de la proteína provoca este
trastorno mortal. Antes de que la CFTR sea llevada a la
membrana celular, se cree que es modificada por el
sistema endomembranal. Copias de la proteína mutante
entran al retículo endoplásmico, pero las enzimas no la
reconocen y destruyen el 99% de las mismas antes de que
lleguen al aparato de Golgi. De este modo muy pocos
canales de CFTR llegan a su destino. Este canal también
contribuye a problemas de sinusitis, esto es una
inflamación crónica del recubrimiento de las cavidades del
cráneo cercanas a la nariz.
Con este ejemplo se puede ver cómo surgen problemas de
salud cuando las células no tienen copias correctas de tan
sólo una de las proteínas de la membrana plasmática.
Piénsalo un poco y podrás apreciar la precisión con la que
la célula utiliza sus proteínas. Esta precisión también se
extiende a las membranas de los compartimientos
celulares internos llamados organelos. Al comprender la
estructura de las membranas celulares podrás conocer
también su funcionamiento y cómo se efectúa la
supervivencia al nivel fundamental de la vida.
Para saber más:
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