El Modelo de Mosaico Fluido de la Membrana

Los fosfolípidos y el colesterol, por su carácter anfipático, pueden formar bicapas lipídicas espontáneamente en disolución acuosa, pues las regiones hidrofóbicas se unen entre sí y las hidrofílicas se orientan hacia el agua. Las colas hidrofóbicas de cada capa se dirigen hacia el centro y las cabezas polares hacia el entorno acuoso. Se establecen fuerzas electrostáticas e interacciones hidrofóbicas entre las moléculas de fosfolípidos para constituir una bicapa lipídica.

En 1972, Singer y Nicholson propusieron el modelo que describe la estructura y composición química de la membrana plasmática: el modelo de mosaico fluido.

Según este modelo, las membranas celulares forman un ‘mosaico‘ de estructuras ‘fluidas‘ que se colocan de acuerdo a su carácter polar (hidrofílico) o no polar (hidrofóbico). Sus componentes son:

• Una bicapa lipídica compuesta fundamentalmente por fosfolípidos y colesterol.
• Proteínas intrínsecas o integrales que atraviesan parcial o completamente la membrana (proteínas transmembrana).
• Proteínas extrínsecas o periféricas que no atraviesan la membrana, sino que están unidas a otras proteínas o lípidos tanto en la hemicapa externa como interna.
• Glúcidos (oligosacáridos) asociados a proteínas (glucoproteínas) o a lípidos (glucolípidos) en la hemicapa externa, constituyendo el glucocálix, encargado de funciones relacionadas con la protección, inmunidad, viscosidad y reconocimiento celular, entre otras.

El término ‘fluido‘ hace referencia a que los lípidos de la bicapa pueden rotar sobre sí mismos, desplazarse lateralmente o realizar un movimiento flip-flop (ir de una membrana a otra gracias a la enzima flipasa). Las proteínas también pueden desplazarse lateralmente.

Este modelo, por ser universal, es aplicable a las membranas de todos los tipos celulares y a todas las membranas de los orgánulos celulares.

Funciones de la Membrana Plasmática

Las funciones de la membrana plasmática son:

• Delimitación de la célula: Separa el medio intracelular del extracelular, manteniendo la individualidad celular.
• Reconocimiento y comunicación celular: Permite la comunicación con el medio externo, reconociendo la información y transfiriéndola al medio interno. Participa en la comunicación celular entre células próximas (señales locales, lípidos eicosanoides) o entre células alejadas (señales del sistema nervioso y hormonas).
• Intercambio de sustancias: La membrana permite el paso de iones, moléculas y macromoléculas.
• Transporte y permeabilidad selectiva: La membrana selecciona el paso de determinadas sustancias e impide el de otras para proteger su contenido del exterior. Incluye procesos de macrotransporte (endocitosis y exocitosis, incluyendo fagocitosis y pinocitosis) y microtransporte (difusión simple y facilitada, transporte activo).
• Proporciona sitios de anclaje y adhesión: Posee elementos de anclaje al citoesqueleto dentro del citoplasma y a componentes de la matriz extracelular. Interviene en los procesos de reconocimiento y adhesión celular para formar tejidos.
• Actividad enzimática: Posee actividad enzimática. Hay enzimas que necesitan un soporte membranoso, ya que su acción está acoplada al reconocimiento de señales (formación del AMPc) o a la creación de gradientes electroquímicos (respiración celular, fotosíntesis).
• Identificación celular: Es el ‘carnet de identidad’ celular, identificando su tipo y estado. Interviene en los procesos de reconocimiento de antígenos (ya sean moléculas o formando parte de virus, bacterias y microorganismos u otros tipos celulares) y su posterior incorporación y/o eliminación, así como el reconocimiento de anticuerpos.

Tipos de Transporte a Través de la Membrana

La función de transporte es crucial, ya que las membranas celulares son semipermeables, permitiendo el paso de algunas moléculas o iones y restringiendo el de otros. Algunas moléculas apolares de pequeño tamaño, moléculas polares sin carga o solubles en lípidos pueden atravesar la membrana libremente. Sin embargo, las moléculas con carga, como los ácidos orgánicos, los aminoácidos y otros iones, no pueden atravesar la membrana y tienen que utilizar proteínas de transporte específicas.

Macrotransporte

El macrotransporte implica la deformación de la membrana para formar vesículas, lo que afecta la superficie de la membrana y utiliza más energía.

• Características: Forma vesículas, mayor gasto energético y requiere del citoesqueleto.
• Tipos:
  • Endocitosis: Implica el paso de sustancias hacia el interior. En este proceso, la membrana plasmática de la célula se invagina y engloba partículas del exterior. De esta manera, se forma una vesícula que pasa al interior celular. Una vez dentro, las vesículas de endocitosis pueden seguir dos caminos:
    • Fusión con lisosomas primarios para formar vacuolas digestivas, donde las enzimas hidrolíticas del lisosoma permiten la digestión del material.
    • Otras vesículas de endocitosis tienen como función el tránsito intracelular de sustancias desde un punto a otro de la célula.

    La endocitosis puede ser:

    • Fagocitosis: Implica la ingestión de partículas de gran tamaño (ej. bacterias, organismos vivos o restos celulares) que forman grandes vesículas, visibles incluso al microscopio óptico, denominadas vesículas o vacuolas de fagocitosis (fagosomas).
    • Pinocitosis: Consiste en la ingestión de líquidos o partículas de pequeño tamaño mediante la formación de vesículas muy pequeñas, solo visibles al microscopio electrónico. Se produce en todo tipo de células.
  • Exocitosis: Implica la fusión con la membrana plasmática de vesículas de secreción procedentes del citoplasma celular, liberando su contenido al exterior. Las vesículas de secreción son transportadas intracelularmente y, después, se produce la unión a la membrana a través de la interacción con elementos citoesqueléticos. La exocitosis puede ser:
    • Constitutiva: Se realiza de forma continua a partir de vesículas originadas en el sistema retículo endoplasmático-Golgi y se lleva a cabo con sustancias con función estructural, por ejemplo, en la renovación de la membrana o del glucocálix.
    • Regulada: Se produce en lugares localizados de la célula ante determinados estímulos externos. Es típica de células secretoras de las glándulas exocrinas o endocrinas, y también está implicada en la liberación neuronal de neurotransmisores.

    Los procesos de exocitosis cumplen un importante papel en diversas funciones celulares, como funciones estructurales, de relación o de excreción.

Microtransporte

• Difusión / Transporte Pasivo: Consiste en el transporte de sustancias a favor de gradiente (ya sea de concentración o de carga) y no requiere gasto energético. La difusión puede ser:
  • Simple: Las moléculas atraviesan directamente la membrana (ej. O2, N2, CO2).
  • Facilitada: Las moléculas de mayor tamaño o los iones pasan a favor de gradiente a través de proteínas transmembranales. Las proteínas de canal o canales membranosos permiten el paso de las sustancias sin experimentar cambios conformacionales, mientras que las proteínas transportadoras o permeases experimentan un cambio conformacional a la vez que transportan las moléculas polares o con cargas. La difusión facilitada puede presentar dos modalidades:
    • Uniporte: Se transporta una sola sustancia.
    • Cotransporte: Se transportan simultáneamente dos sustancias. Si las sustancias se transportan hacia el mismo lado, se habla de simporte, y si lo hacen en sentidos opuestos, de antiporte.
• Transporte Activo: Es el transporte de sustancias en contra de gradiente electroquímico o de concentración, para lo cual se requiere un gasto energético. Pueden distinguirse dos tipos:
  • Transporte activo directo: La proteína transportadora está directamente acoplada a una ATPasa (aporte directo de energía).
  • Transporte activo indirecto: La proteína transportadora transporta una molécula en contra de gradiente y otra a favor de gradiente.

Ejemplos de Transporte Específico

Bomba de Sodio-Potasio

El proceso del desplazamiento de iones de sodio y potasio a través de la membrana celular es un proceso de transporte activo que implica la hidrólisis de ATP para proporcionar la energía necesaria. Se involucra a una enzima conocida como Na+/K+-ATPasa. Este proceso es responsable de mantener el exceso de iones Na+ fuera de la célula y el exceso de iones K+ en el interior de la célula. Se lleva a cabo el transporte de tres Na+ hacia el exterior de la célula y el transporte de dos iones K+ hacia el interior. Esta transferencia de carga desequilibrada contribuye a la separación de carga a través de la membrana. La bomba de sodio-potasio es una contribuidora importante al potencial de acción producido por las células nerviosas. Esta bomba se llama una bomba de iones de tipo P, debido a que las interacciones de ATP fosforila la proteína de transporte y provoca un cambio en su conformación.

Transporte del Colesterol

El colesterol circula permanentemente en el cuerpo humano entre el hígado, donde se secreta y se almacena, y los demás tejidos del organismo; sin embargo, como no se disuelve en soluciones acuosas (como el suero), para ser transportado necesita integrarse a otras sustancias solubles, las lipoproteínas.

La función de las lipoproteínas plasmáticas es transportar moléculas lipídicas de unos órganos a otros en el medio acuoso del plasma. En el estado de ayuno normal, el plasma humano tiene cuatro clases de lipoproteínas y en el periodo postabsortivo aparece una quinta clase, los quilomicrones. Las lipoproteínas se clasifican en función de su densidad:

• Los quilomicrones son lipoproteínas grandes con densidad extremadamente baja que transportan los lípidos de la dieta desde el intestino a los tejidos.
• Las VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad) se sintetizan en el hígado y transportan lípidos a los tejidos; estas VLDL van perdiendo en el organismo triacilgliceroles y algunas apoproteínas y fosfolípidos; finalmente sus restos sin triacilgliceroles (IDL, lipoproteínas de densidad intermedia) son captados por el hígado o convertidos en LDL.
• Las LDL (lipoproteínas de baja densidad) transportan colesterol a los tejidos donde hay receptores de LDL.
• Las HDL (lipoproteínas de alta densidad) también se producen en el hígado y eliminan de las células el exceso de colesterol llevándolo al hígado, único órgano que puede desprenderse de este convirtiéndolo en ácidos biliares.

Las partículas más pequeñas tienen mayor porcentaje de proteínas de superficie y de lípidos anfipáticos que las grandes.

1. Las LDL llevan colesterol a los tejidos que lo necesitan para sus membranas o para la síntesis de hormonas esteroideas; este colesterol y el de los quilomicrones regulan la síntesis hepática de colesterol.
2. Las LDL entran a las células por un proceso de endocitosis mediada por receptores específicos para estas lipoproteínas; el receptor de LDL es una glicoproteína transmembrana que se une de manera específica a apoB-100 y apoE.
3. Una vez dentro de la célula, en el lisosoma, la apoB-100 se degrada y una lipasa produce colesterol a partir de los ésteres de colesterol.
4. El colesterol excedente se puede reesterificar para su almacenamiento por acción de la ACAT (acil-CoA-colesterol aciltransferasa); la sobreacumulación de ésteres de colesterol se evita por dos mecanismos: supresión de la síntesis del receptor de las LDL e inhibición de la síntesis celular de colesterol.