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Las membranas celulares protegen y organizan las células. Todas las células tienen una membrana plasmática externa que regula no solo lo que entra en la célula, sino también la cantidad de cualquier sustancia dada. A diferencia de los procariotas, las células eucariotas también poseen membranas internas que recubren sus orgánulos y controlan el intercambio de componentes celulares esenciales. Ambos tipos de membranas tienen una estructura especializada que facilita su función de control de acceso.
¿De qué están hechas las membranas celulares?
Con pocas excepciones, las membranas celulares, incluidas las membranas plasmáticas y las membranas internas, están hechas de glicerofosfolípidos, moléculas compuestas por glicerol, un grupo fosfato y dos cadenas de ácidos grasos. El glicerol es una molécula de tres carbonos que funciona como la columna vertebral de estos lípidos de la membrana. Dentro de un glicerofosfolípido individual, los ácidos grasos están unidos a los carbonos primero y segundo, y el grupo fosfato está unido al tercer carbono de la cadena principal de glicerol. Los grupos de cabeza variables están unidos al fosfato. Los modelos llenos de espacio de estas moléculas revelan su forma cilíndrica, una geometría que permite que los glicerofosfolípidos se alineen uno al lado del otro para formar amplias láminas (Figura 1).
Figura 1: La bicapa lipídica y la estructura y composición de una molécula de glicerofosfolípido
Un esquema muestra una molécula de glicerofosfolípido de cuatro maneras diferentes. El panel A muestra 30 fosfolípidos dispuestos en una bicapa con 15 moléculas de fosfolípidos en cada lado de la bicapa. El panel B usa una esfera y líneas para mostrar la estructura básica de una molécula de glicerofosfolípido individual. El panel C usa un modelo de bola y bastón para mostrar la estructura molecular de una molécula de glicerofosfolípido con cada uno de sus cuatro elementos estructurales distintos sombreados en un color diferente. El panel D muestra los átomos específicos que componen los cuatro elementos estructurales del fosfolípido que se muestra en el panel C.
(A) La membrana plasmática de una célula es una bicapa de moléculas de glicerofosfolípidos. (B) Una sola molécula de glicerofosfolípido se compone de dos regiones principales: una cabeza hidrofílica (verde) y una cola hidrófoba (púrpura). (C) Las subregiones de una molécula de glicerofosfolípido; fosfatidilcolina se muestra como un ejemplo. La cabeza hidrofílica está compuesta por una estructura de colina (azul) y un fosfato (naranja). Esta cabeza está conectada a un glicerol (verde) con dos colas hidrófobas (violeta) llamadas ácidos grasos. (D) Esta vista muestra los átomos específicos dentro de las diversas subregiones de la molécula de fosfatidilcolina. Tenga en cuenta que un doble enlace entre dos de los átomos de carbono en una de las colas de hidrocarburo (ácido graso) provoca un ligero torsión en esta molécula, por lo que parece doblada.
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Detalle de la figura
Los glicerofosfolípidos son con mucho los lípidos más abundantes en las membranas celulares. Como todos los lípidos, son insolubles en agua, pero su geometría única hace que se agreguen en bicapas sin ningún aporte de energía. Esto se debe a que son moléculas de dos caras, con cabezas de fosfato hidrófilas (amantes del agua) y colas de hidrocarburo hidrofóbicas (temerosas del agua) de ácidos grasos. En el agua, estas moléculas se alinean espontáneamente, con sus cabezas mirando hacia afuera y sus colas alineadas en el interior de la bicapa. Por lo tanto, las cabezas hidrófilas de los glicerofosfolípidos en la membrana plasmática de una célula se enfrentan tanto al citoplasma basado en agua como al exterior de la célula.
En total, los lípidos representan aproximadamente la mitad de la masa de las membranas celulares. Las moléculas de colesterol, aunque son menos abundantes que los glicerofosfolípidos, representan aproximadamente el 20 por ciento de los lípidos en las membranas plasmáticas de las células animales. Sin embargo, el colesterol no está presente en las membranas bacterianas o las membranas mitocondriales. Además, el colesterol ayuda a regular la rigidez de las membranas, mientras que otros lípidos menos prominentes desempeñan papeles en la señalización celular y el reconocimiento celular.
Un esquema muestra una sección transversal de una membrana celular, que está formada por fosfolípidos que forman una bicapa. Cada molécula de fosfolípido se muestra como una cabeza de fosfolípido redonda con dos colas de ácido graso onduladas que se extienden desde ella. Una capa en forma de lámina de moléculas de fosfolípidos se coloca opuesta y por encima de una segunda capa similar a una lámina de moléculas de fosfolípidos. Las colas de ácidos grasos de las capas superior e inferior se extienden en el espacio central para que las colas de la capa superior se encuentren con las colas de la capa inferior; sus cabezas de fosfolípidos forman la superficie superior e inferior de la bicapa. Seis proteínas de varias formas y tamaños abarcan el ancho de la membrana. Algunos forman canales dentro de la bicapa de fosfolípidos.
Además de los lípidos, las membranas se cargan con proteínas. De hecho, las proteínas representan aproximadamente la mitad de la masa de la mayoría de las membranas celulares. Muchas de estas proteínas están incrustadas en la membrana y sobresalen en ambos lados; estos se llaman proteínas transmembrana. Las porciones de estas proteínas que están anidadas en medio de las colas de hidrocarburos tienen características superficiales hidrófobas, y las partes que sobresalen son hidrofílicas (Figura 2).
Figura 2: La bicapa de glicerofosfolípido con proteínas transmembrana integradas
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A temperaturas fisiológicas, las membranas celulares son fluidas; a temperaturas más bajas, se convierten en gel. Los científicos que modelan la estructura y la dinámica de la membrana describen la membrana como un mosaico fluido en el que las proteínas transmembrana pueden moverse lateralmente en la bicapa lipídica. Por lo tanto, la colección de lípidos y proteínas que componen una membrana celular se basa en propiedades biofísicas naturales para formar y funcionar. En las células vivas, sin embargo, muchas proteínas no son libres de moverse. A menudo se anclan en su lugar dentro de la membrana mediante ataduras a proteínas fuera de la célula, elementos del citoesqueleto dentro de la célula, o ambos.
¿Qué hacen las membranas?
Las membranas celulares sirven como barreras y porteros. Son semipermeables, lo que significa que algunas moléculas pueden difundirse a través de la bicapa lipídica, pero otras no. Pequeñas moléculas hidrofóbicas y gases como el oxígeno y el dióxido de carbono atraviesan las membranas rápidamente. Las pequeñas moléculas polares, como el agua y el etanol, también pueden pasar a través de las membranas, pero lo hacen más lentamente. Por otro lado, las membranas celulares restringen la difusión de moléculas altamente cargadas, tales como iones y moléculas grandes, como azúcares y aminoácidos. El paso de estas moléculas se basa en proteínas de transporte específicas incrustadas en la membrana.
Un esquema muestra una sección transversal a través de una celda redonda con seis complejos de proteína de transporte diferentes dispuestos a través de diferentes regiones de la membrana celular. Cada complejo de proteína actúa como un poro y se muestra transportando moléculas desde el exterior de la célula al interior de la célula, desde el interior de la célula al exterior de la célula, o en ambas direcciones. Varias moléculas de diferentes colores se muestran dentro y fuera de la celda. Las pequeñas moléculas esféricas se etiquetan como “iones” y las moléculas circulares más grandes se etiquetan como “aminoácidos”. La glucosa se muestra como un modelo de bola y pértiga. Diferentes proteínas de transporte están especializadas para transportar moléculas particulares. Se muestra un complejo de proteína azul que solo transporta iones azules fuera de la célula, y se muestra un complejo de proteína roja que solo transporta iones rojos a la célula. Se muestra que un complejo de proteína púrpura solo transporta aminoácidos de diferentes colores a la célula, y se muestra un complejo de proteína verde etiquetado \ “transportador de glucosa \” transportando moléculas de glucosa dentro y fuera de la célula.
Figura 3: transporte selectivo
Las proteínas especializadas en la membrana celular regulan la concentración de moléculas específicas dentro de la célula.
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Las proteínas de transporte de membrana son específicas y selectivas para las moléculas que mueven, y a menudo usan energía para catalizar el paso. Además, estas proteínas transportan algunos nutrientes contra el gradiente de concentración, que requiere energía adicional. La capacidad de mantener gradientes de concentración y, en ocasiones, mover materiales contra ellos es vital para la salud y el mantenimiento de las células. Gracias a las barreras de membrana y las proteínas de transporte, la célula puede acumular nutrientes en mayores concentraciones que las que existen en el medio ambiente y, a la inversa, eliminar los productos de desecho (Figura 3).
Otras proteínas transmembrana tienen trabajos relacionados con la comunicación. Estas proteínas unen señales, como hormonas o mediadores inmunes, a sus porciones extracelulares. La unión provoca un cambio conformacional en la proteína que transmite una señal a las moléculas mensajeras intracelulares. Al igual que las proteínas de transporte, las proteínas receptoras son específicas y selectivas para las moléculas a las que se unen (Figura 4).
Un diagrama esquemático muestra una sección transversal de cuatro proteínas de la membrana plasmática que realizan diferentes funciones. Las cuatro proteínas incluyen un transportador, un receptor, una enzima y un ancla.
Figura 4: ejemplos de la acción de las proteínas transmembrana
Los transportadores transportan una molécula (como la glucosa) de un lado de la membrana plasmática al otro. Los receptores pueden unir una molécula extracelular (triángulo) y esto activa un proceso intracelular. Las enzimas en la membrana pueden hacer lo mismo que hacen en el citoplasma de una célula: transformar una molécula en otra forma. Las proteínas de anclaje pueden unir físicamente estructuras intracelulares con estructuras extracelulares.
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Detalle de la figura
Las proteínas de membrana periférica están asociadas a la membrana pero no se insertan en la bicapa. Más bien, por lo general están unidas a otras proteínas en la membrana. Algunas proteínas periféricas forman una red filamentosa justo debajo de la membrana que proporciona sitios de unión para proteínas transmembrana. Otras proteínas periféricas son secretadas por la célula y forman una matriz extracelular que funciona en el reconocimiento celular.
¿Cuán diversas son las membranas celulares?
A diferencia de los procariotas, las células eucariotas no solo tienen una membrana plasmática que recubre toda la célula, sino también membranas intracelulares que rodean a varios orgánulos. En tales células, la membrana plasmática es parte de un extenso sistema de endomembrana que incluye el retículo endoplásmico (RE), la membrana nuclear, el aparato de Golgi y los lisosomas. Los componentes de la membrana se intercambian en todo el sistema de endomembrana de forma organizada. Por ejemplo, las membranas del ER y el aparato de Golgi tienen diferentes composiciones, y las proteínas que se encuentran en estas membranas contienen señales de clasificación, que son como códigos postales moleculares que especifican su destino final.
Las mitocondrias y los cloroplastos también están rodeados por membranas, pero tienen estructuras de membrana inusuales; específicamente, cada uno de estos orgánulos tiene dos membranas circundantes en lugar de una sola. La membrana externa de las mitocondrias y los cloroplastos tiene poros que permiten que las moléculas pequeñas pasen fácilmente. La membrana interna está cargada con las proteínas que componen la cadena de transporte de electrones y ayudan a generar energía para la célula. Los recintos de doble membrana de mitocondrias y cloroplastos son similares a ciertos procariotas modernos y se cree que reflejan el origen evolutivo de estos orgánulos.
Conclusión
Las membranas están hechas de lípidos y proteínas, y sirven para una variedad de funciones de barrera para las células y los orgánulos intracelulares. Las membranas mantienen el exterior “fuera” y el interior “dentro”, lo que permite que solo ciertas moléculas crucen y retransmitan mensajes a través de una cadena de eventos moleculares.
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Biología Celular para Seminarios, Unidad 3.1
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