Componentes Moleculares Clave de las Membranas y su Papel
Las membranas celulares están compuestas por una bicapa lipídica, proteínas y carbohidratos. Los lípidos, principalmente fosfolípidos, forman una barrera hidrofóbica que impide el paso libre de sustancias hidrosolubles. Las proteínas permiten el transporte, la transducción de señales, la adhesión y la organización celular. Los carbohidratos, unidos a lípidos o proteínas, forman el glicocálix, que protege la superficie celular y facilita el reconocimiento intercelular.
Principales Fosfolípidos de Membrana y Factores Determinantes de la Fluidez
Los principales fosfolípidos son fosfatidilcolina, fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina y esfingomielina. Todos poseen una cabeza polar y dos colas hidrofóbicas. La fluidez de la membrana depende del largo de estas colas y de su grado de insaturación: colas cortas y con dobles enlaces (insaturadas) reducen el empaquetamiento, aumentando la movilidad y flexibilidad de la membrana.
Factores que Modulan la Fluidez de la Membrana Celular
La fluidez aumenta con la temperatura, con cadenas lipídicas cortas y con colas insaturadas (dobles enlaces). El colesterol modula la fluidez según la temperatura: a bajas temperaturas evita que los lípidos se cristalicen, y a altas impide que se vuelvan demasiado móviles. También influye la proporción de esfingolípidos, que son más rígidos que los fosfoglicéridos.
Asimetría de Fosfolípidos y Diferencia de Carga en la Membrana Plasmática
La membrana plasmática es asimétrica: ciertos fosfolípidos como la fosfatidilserina y fosfatidiletanolamina se localizan en la cara citosólica, mientras que otros como la fosfatidilcolina y la esfingomielina predominan en la cara extracelular. Esta distribución contribuye a una diferencia de carga: la cara interna es más negativa, en parte por la fosfatidilserina, lo que influye en procesos de señalización y apoptosis.
Microdominios de Colesterol (Lipid Rafts): Funciones y Características
Los lipid rafts son regiones enriquecidas en colesterol y esfingolípidos que forman microdominios más ordenados y menos fluidos. En ellos se agrupan proteínas implicadas en señalización, anclaje del citoesqueleto y tráfico vesicular. El colesterol estabiliza la bicapa, rellenando espacios entre fosfolípidos, lo que disminuye la permeabilidad y permite la formación de estos dominios funcionales.
Proteínas Integrales y Periféricas de Membrana: Definición y Rol
Las proteínas integrales se insertan parcial o completamente en la bicapa lipídica; muchas atraviesan toda la membrana (transmembrana) y participan en transporte, señalización y anclaje. Las proteínas periféricas no se insertan en la bicapa; se asocian débilmente con la superficie interna o externa mediante interacciones con lípidos o proteínas, y suelen participar en funciones estructurales o regulatorias.
Movilidad de Proteínas en la Membrana: Evidencia Experimental y Relevancia Biológica
La fusión de células de ratón y humanas, marcadas con anticuerpos fluorescentes distintos, demostró que las proteínas de membrana se redistribuyen tras la fusión, evidenciando su movilidad lateral. Esta fluidez permite reorganizar receptores, formar sinapsis, ajustar adhesiones y responder rápidamente a señales externas, lo que es esencial para la función celular dinámica y adaptativa.
El Glicocálix y el Papel de las Selectinas en la Adhesión Celular
El glicocálix es una capa externa rica en carbohidratos unida a lípidos y proteínas de la membrana. Protege a la célula y permite el reconocimiento celular. Las selectinas son proteínas transmembrana que reconocen carbohidratos específicos. Durante la inflamación, las selectinas del endotelio se unen a azúcares de los neutrófilos, facilitando su adhesión débil y su desplazamiento (rolling) hasta detenerse y migrar al tejido dañado.
Difusión Simple vs. Difusión Facilitada por Transportadores
La difusión simple ocurre cuando moléculas pequeñas y no polares como O₂ o CO₂ cruzan directamente la bicapa lipídica siguiendo su gradiente de concentración, sin necesidad de proteínas ni energía. En cambio, la difusión facilitada necesita proteínas transportadoras específicas que permiten el paso de solutos polares o grandes como la glucosa, también según gradiente, pero con mayor selectividad y velocidad que la difusión simple.
Bombas, Canales y Transportadores: Eficiencia en el Transporte de Membrana
Las bombas utilizan ATP para mover solutos contra su gradiente electroquímico; son lentas, pero mantienen gradientes esenciales. Los transportadores cambian de conformación para mover moléculas según gradiente (difusión facilitada) o mediante transporte acoplado, con eficiencia intermedia. Los canales son los más rápidos: permiten el paso pasivo de iones según gradiente mediante un poro selectivo, sin gasto de energía ni cambio conformacional.
Uniportadores, Simportadores y Antiportadores: Tipos de Transporte Acoplado
Un uniportador transporta una sola molécula a través de la membrana según su gradiente. Un simportador mueve dos moléculas en la misma dirección, una de ellas a favor de gradiente, arrastrando la otra en contra (transporte acoplado). Un antiportador también mueve dos solutos, pero en direcciones opuestas. Ambos últimos permiten transporte activo secundario sin consumir ATP directamente.
La Bomba de Sodio-Potasio (Na⁺/K⁺-ATPasa): Función, Importancia y Acción de Digitálicos
La bomba Na⁺/K⁺-ATPasa mantiene el gradiente iónico expulsando 3 Na⁺ del citosol e ingresando 2 K⁺ por cada ATP hidrolizado. Esto genera un potencial eléctrico negativo y regula el volumen celular. Los digitálicos inhiben esta bomba, aumentando el Na⁺ intracelular, lo que reduce la salida de Ca²⁺ por intercambio Na⁺/Ca²⁺, elevando el calcio intracelular y aumentando la contractilidad cardíaca.
Bombas Tipo ABC: Relevancia en el Transporte y la Resistencia a Fármacos
Las bombas tipo ABC (ATP-Binding Cassette) usan energía de ATP para transportar una gran variedad de sustratos, incluyendo fármacos, lípidos y metabolitos. Son esenciales para eliminar toxinas y sustancias extrañas. Algunas, como la P-glicoproteína, están sobreexpresadas en células tumorales y expulsan medicamentos, generando resistencia a la quimioterapia (taquifilaxia farmacológica).
Regulación de la Apertura y Cierre de los Canales Iónicos
Los canales iónicos se abren o cierran según estímulos específicos:
- Voltaje (canales dependientes de voltaje)
- Unión de ligandos (canales regulados por neurotransmisores o nucleótidos)
- Estímulos mecánicos (como el estiramiento de la membrana)
Estos mecanismos permiten respuestas rápidas y específicas, como en la generación del potencial de acción o en secreciones celulares.
Selectividad de los Canales de Sodio y Potasio
Los canales son selectivos gracias al filtro de selectividad en su poro, que reconoce el tamaño y las cargas de los iones. Los canales de K⁺ tienen un filtro que estabiliza a K⁺ deshidratado pero excluye a Na⁺, aunque este sea más pequeño. Los canales de Na⁺ permiten su paso gracias a un filtro que interactúa eficazmente con Na⁺ hidratado, excluyendo a K⁺ u otros cationes.
Transporte de Glucosa en el Epitelio Intestinal
En el polo apical del enterocito intestinal, un simportador Na⁺/glucosa permite la entrada activa de glucosa acoplada al gradiente de Na⁺, mantenido por la bomba Na⁺/K⁺. Luego, en el polo basolateral, la glucosa sale hacia la sangre mediante un transportador pasivo (GLUT2). Este sistema asegura la absorción eficiente de glucosa incluso en concentraciones bajas del lumen intestinal.
Generación y Propagación del Potencial de Acción en el Axón
El potencial de acción se inicia cuando un estímulo despolariza la membrana y abre canales de Na⁺ dependientes de voltaje. El ingreso de Na⁺ causa una despolarización rápida. Luego, se abren canales de K⁺ que repolarizan la membrana. Esta secuencia de apertura y cierre se propaga a lo largo del axón, transmitiendo la señal nerviosa sin pérdida de intensidad.
Señalización Celular: Mecanismos, Receptores y Vías de Transducción
Señales Hidrofílicas vs. Hidrofóbicas: Diferencias en Transducción
Las señales hidrofílicas (como péptidos o neurotransmisores) no pueden cruzar la membrana y se unen a receptores de superficie celular. Activan segundos mensajeros y generan respuestas rápidas y transitorias. Las señales hidrofóbicas (como esteroides) atraviesan la bicapa y se unen a receptores intracelulares. Modifican la expresión génica y producen respuestas más lentas pero sostenidas en el tiempo.
Principales Sistemas de Comunicación Celular
Las células utilizan distintos modos de señalización según la distancia:
- La endocrina actúa a larga distancia mediante hormonas que viajan por la sangre.
- La paracrina es local, y las señales actúan sobre células cercanas.
- En la autocrina, la célula responde a su propia señal.
- La neuronal es rápida y precisa, usando neurotransmisores.
- La señalización por contacto ocurre entre células adyacentes mediante interacciones directas de membrana.
Efecto de Múltiples Señales en la Respuesta Celular
Una misma célula puede recibir múltiples señales simultáneamente. La respuesta depende del conjunto de receptores que exprese. Una señal puede inducir proliferación, apoptosis o diferenciación. Además, una misma señal puede generar respuestas distintas en células diferentes si se acopla a receptores distintos o activa vías intracelulares distintas. Así, el contexto determina el efecto final.
Tipos Principales de Receptores de Membrana
Existen tres tipos principales:
- Receptores acoplados a proteínas G, que activan enzimas o canales mediante segundos mensajeros.
- Receptores canal, que abren un poro para el paso de iones tras unión del ligando.
- Receptores ligados a enzimas, como tirosina quinasas, que se activan por dimerización y fosforilan proteínas blanco.
Todos convierten señales extracelulares en respuestas intracelulares.
Mecanismos de Desensibilización de Receptores Celulares
La célula puede reducir su respuesta ante una señal persistente. Puede inactivar el receptor (por fosforilación), secuestrarlo (endocitarlo temporalmente) o eliminarlo por degradación lisosomal, lo que se conoce como down-regulation. Esta última reduce la cantidad total de receptores y contribuye a la taquifilaxia. También puede inhibirse la vía en pasos posteriores, como la síntesis de segundos mensajeros.
Receptores Acoplados a Proteínas G (GPCRs): Características y Tipos (Gs, Gi)
Los receptores acoplados a proteínas G (GPCRs) tienen 7 dominios transmembrana. Al activarse por un ligando, estimulan proteínas G triméricas (α, β, γ). La subunidad α puede activar (Gs) o inhibir (Gi) la adenilil ciclasa, modificando la producción de AMPc. Esto regula procesos como secreción, frecuencia cardíaca o actividad enzimática en respuesta a hormonas y neurotransmisores.
Activación e Inactivación de Proteínas G Triméricas
Cuando el receptor es activado por su ligando, permite que la subunidad α de la proteína G libere GDP y se una a GTP. Esto disocia la subunidad α del dímero βγ, y ambas pueden activar efectores. La señal finaliza cuando la subunidad α hidroliza el GTP a GDP mediante su actividad GTPasa intrínseca, y vuelve a unirse al complejo inactivo junto con βγ.
Mecanismo de Acción de las Proteínas Gq
Las Gq activan la enzima fosfolipasa C-β, que escinde el fosfolípido PIP₂ en dos segundos mensajeros: DAG e IP₃. IP₃ se une a receptores en el retículo endoplasmático, liberando calcio al citosol. DAG permanece en la membrana y activa la proteína quinasa C (PKC). Esta vía participa en respuestas como contracción muscular, secreción y regulación del metabolismo.
Liberación de Calcio Intracelular por Activación de Proteínas Gq
La activación de receptores acoplados a Gq estimula la fosfolipasa C, que genera IP₃. Este difunde al retículo endoplasmático y se une a canales de calcio, abriéndolos. El calcio liberado al citosol actúa como segundo mensajero, activando proteínas como la calmodulina y quinasa CaM, regulando contracción, exocitosis y expresión génica. Luego, el calcio es recaptado para restaurar niveles basales.
Sistemas de Regulación del Calcio Intracelular
El Ca²⁺ se mantiene bajo en el citosol mediante bombas (SERCA en el retículo, y PMCA en la membrana plasmática) y un intercambiador Na⁺/Ca²⁺. Ante estímulos, el Ca²⁺ se libera desde el retículo endoplasmático por IP₃ o rianodina. Luego, es reabsorbido o expulsado. Este control preciso permite generar señales rápidas y transitorias sin dañar la célula por exceso de calcio.
Efecto del Ácido Araquidónico en el Sistema Vascular
El ácido araquidónico es liberado de los fosfolípidos por acción de la fosfolipasa A₂. Luego se convierte en prostaglandinas o leucotrienos. En el sistema vascular, estas moléculas modulan la vasodilatación, la inflamación y la agregación plaquetaria. Por ejemplo, algunas prostaglandinas relajan el músculo liso vascular, mientras otras aumentan la permeabilidad y promueven el dolor.
Receptores Enzimáticos y Receptores Asociados a Enzimas
Algunos receptores poseen actividad enzimática intrínseca, como las tirosina quinasas, que se autofosforilan al unirse al ligando. Otros se asocian a enzimas independientes, como las tirosina quinasas Janus (JAK). En ambos casos, la señalización ocurre mediante la fosforilación de proteínas blanco que propagan la señal y regulan procesos como crecimiento, diferenciación y supervivencia celular.
Activación y Autofosforilación de Receptores Catalíticos
Los receptores tirosina quinasa se activan cuando el ligando extracelular induce su dimerización. Esto aproxima sus dominios tirosina quinasa, permitiendo que se autofosforilen en residuos específicos. Estas fosforilaciones sirven como sitios de anclaje para proteínas intracelulares con dominios SH2, que al unirse activan cascadas como la vía de Ras y MAPK, que regulan proliferación celular.
Activación de la Proteína Ras
Ras es una proteína G monomérica activada por receptores tirosina quinasa. Cuando el receptor se fosforila, se une la proteína adaptadora Grb2, que recluta a Sos (una GEF). Sos permite que Ras libere GDP y se una a GTP, activándose. Ras activa una cascada de MAP quinasas que regula proliferación, diferenciación y expresión génica. Su inactivación ocurre por hidrólisis de GTP.