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La célula. 3. Membrana celular.

ASIMETRÍA, FUSIÓN, REPARACIÓN.

« Permeabilidad, fluidez Síntesis »

Asimetría.

Las dos hemicapas de las membranas tienen composición molecular diferente.

Se establece en distintos orgánulos de la célula: para proteínas transmembrana en el retículo endoplasmático, para lípidos y glúcidos en el aparato de Golgi, endosomas y membrana plasmática.

Crea ambientes moleculares diferentes a ambos lados de la membrana.

Rotura y fusión.

Las membranas son gobernadas por las proteínas, pueden escindirse y fusionarse.

Los compartimentos con membranas son versátiles gracias a ellas.

Reparación.

La membrana plasmática se rompe con facilidad.

Hay dos mecanismos de reparación: debidos a las propiedades de los lípidos, debidos a la fusión de compartimentos internos entre ellos y de éstos con la membrana plasmática


Asimetría

Las membranas celulares están formadas por una bicapa lipídica con dos hemicapas. En las membranas de los orgánulos y en la plasmática existe una hemicapa orientada hacia el citosol y otra orientada hacia el interior del orgánulo o al exterior celular, respectivamente. La composición en lípidos, glúcidos y proteínas periféricas es distinta en ambas hemicapas. Además, las proteínas transmembrana tienen una orientación precisa. Esta desigual distribución de moléculas entre ambas hemicapas se denomina asimetría de membrana, y se conocía incluso antes de formularse el modelo de mosaico fluido de la membrana en 1972.

La generación y mantenimiento de esta asimetría es esencial para la célula. En la membrana plasmática, la hemicapa orientada hacia el exterior contiene una mayoría de los lípidos que poseen colina, como la fosfatidilcolina y la esfingomielina, mientras que la fosfatidiletanolamina, fosfatidilinositol y la fosfatidilserina se localizan en la hemicapa interna. Esto es interesante porque crean una distribución diferente de cargas entre ambas superficies de la membrana, que contribuye al potencial de membrana. Se ha visto que en ausencia de iones la membrana plasmática es capaz de producir un potencial de membrana por sí misma debido a la mayor concentración de cargas negativas de la monocapa interna. Además, esta asimetría facilita la asociación específica de proteínas que necesitan un ambiente eléctrico determinado y que es aportado por la naturaleza química de las cabezas de los lípidos. Otro ejemplo es el lípido fosfatidil inositol, localizado en la hemicapa interna, que al ser modificado por ciertas fosfolipasas se divide en dos moléculas, una de las cuales viaja por el citosol y actúa como segundo mensajero. También son importantes las propiedades físicas que tal asimetría aporta a las membranas y, por ejmplo, parece que una determinada composición lipídica de la hemicapa citosólica facilita la formación de vesículas hacia el citosol, es decir, se curva más fácilmente hacia el citosol.

La rotura de esta asimetría lipídica funciona a veces como una señal de que hay alteraciones en la célula. Por ejemplo, las células que sufren apoptosis, muerte celular programada, exponen rápidamente la fosfatidilserina en la monocapa externa y esto es una señal para que los macrófagos eliminen esa célula. De hecho, en la membrana plasmática de las células sanas hay proteínas "patrullando" en la membrana plasmática que cuando detectan una fosfatidilserina en la monocapa externa la devuelven rápidamente a la interna. También es importante la rotura de la asimetría de los lípidos en los eritrocitos para el inicio de la coagulación sanguínea. Incluso algunos virus con membrana exponen en su monocapa externa fosfatidilserina y fostatidiletanolamina para ser incorporados a las células con más facilidad por macropinocitosis o fagocitosis.

Modelos de membrana

Modelos de membrana

Aunque cuando se habla de asimetría estamos refiriéndonos sobre todo a los lípidos, también hay una distribución u organización desigual de los glúcidos y de las proteínas entre las dos monocapas de las membranas celulares. Los glúcidos se localizan preferentemente en la hemicapa externa de la membrana plasmática formando el glicocálix, y en la no citosólica de los lisosomas y endosomas, como veremos más adelante. Esto hace que actúen como centros de reconocimiento y protección para las células. Las proteínas también tienen una orientación precisa en la membrana, con un dominio citosólico y otro extracelular o en el interior de los orgánulos. Esto es claro cuando obervamos a los receptores de la membrana plasmática, los cuales tienen que tener su centro de reconocimiento orientado hacia el lado extracelular.

¿Dónde y cómo se produce la asimetría?

Asimetría de membrana

La distribución y organización de las moléculas en las dos hemicapas de las membranas puede ser diferente. Esto es claro para los lípidos en la membrana plasmática (arriba), pero no tanto en la del retículo endoplasmático (abajo). Sin embargo, las proteínas se orientan y disponen de manera asimétrica tanto en las membranas del retículo como en la plasmática. Se indica la carga negativa de la fosfatidil serina para mostrar la diferente distribución de cargas entre ambas monocas de la membrana plasmática, pero no corre lo mismo en la membrana del retículo endoplasmático.

Lípidos. La distribución asimétrica de los lípidos se produce principalmente en el aparato de Golgi y en otros compartimentos celulares Curiosamente, en el retículo endoplasmático, donde mayoritariamente se sintetizan los lípidos, hay una distribución muy parecida entre las dos hemicapas. Para los lípidos con cabeza polar grande es difícil cruzar de una hemicapa a la otra (movimiento del tipo “flip-flop”) por la barrera que supone el ambiente hidrófobo que generan las cadenas de ácidos grasos. Sin embargo, para otros lípidos con zona polar poco voluminosa, como el colesterol, diacilglicerol, ceramida o ácidos grasos protonados, el cambio entre monocapas es muy frecuente. Los glicerofosfolípidos de cabezas polares grandes pueden salvar la barrera hidrófoba de los ácidos grasos mediante unos transportadores específicos, o traslocasas, localizados en las membranas. Hay tres tipos: flipasas, flopasas y mezcladores ("scramblases"). Estas proteínas se encargan de transportar glicerofosfolípidos entre las dos hemicapas y generar asimetría. Las flipasas transportan lípidos hacia la hemicapa interna, las flopasas hacia la hemicapa externa y las mezcladoras en ambas direcciones. Las mezcladoras no necesitan ATP para llevara cabo su función. Esta desigual distribución de los lípidos se mantiene por la propia dificultad de los movimientos “flip-flop”. Por ejemplo, lo esfingolípidos, que no son translocados, permanecen en la monocapa donde se sintetizan: la interna del aparato de Golgi, que se será posteriormente la externa de la membrana plasmática. Más del 80 % de los esfingolípidos de la membrana plasmática se localizan en la monocapa externa.

Asimetría de membrana

Proteínas encargadas de redistribuir los diferentes lípidos entre las dos monocapas de las membranas. La localización de estas proteínas varía entre orgánulos y entre tipos celulares. Flipasas, flopasas son en realizadad dos familias de proteínas cuyos miembros se distribuyen diferencialmente. (Modificado de Quazi y Molday, 2011).

Estas proteinas se distribuyen desigualmente por las diferentes membranas de la célula para aportar a cada membrana sus asimetría lipídica característica. Incluso dentro de una misma familia puede haber subtipos con diferente regulación. Como se mencionó antes, la apoptosis provoca la rotura de la asimetría de la membrana plasmatica que desencadena la fagocitosis de la célula. Esta rotura se debe a una activación puntual de una proteína mezcladora que se encuentra en dicha membrana. Sin embargo, otra proteína mezcladora que actúa en el retículo endoplasmático está funcionando siempre, y por eso las dos hemicapas de este orgánulo son muy parecidas. Otro ejemplo, en la membrana del eritrocito hay proteínas mezcladoras que se activan con la entrada masiva de calcio y favorecen la coagulación sanguínea.

Glúcidos. La distribución de los glúcidos, localizados sobre todo en la hemicapa externa de la membrana plasmática, se produce durante su síntesis, primero en el retículo endoplasmático y posteriormente en el aparato de Golgi.

Proteínas. La asimetría de las proteínas se produce durante su síntesis en el retículo endoplasmático, aunque las proteínas asociadas a la cara citosólica se sintetizan en el citosol.

Rotura y fusión de membranas

Una de las propiedades de las membranas más útiles para la célula es la capacidad de romperse y volver a ser fusionadas. Ello permite que los compartimentos intracelulares puedan ser tremendamente plásticos, es decir, crecer, dividirse, fusionarse, liberar fragmentos en forma de vesículas membranosas en un compartimento que viajan a otro con el que se fusionan, etcétera. Ésta es la base del transporte vesicular que veremos en los apartados siguientes. Esta característica de las membranas es también necesaria durante la etapa de la mitosis denominada citocinesis donde la membrana citoplasmática debe crecer en superficie, romperse y luego fusionarse para formar dos células hijas independientes. Estos procesos de rotura y de fusión de membranas están gobernados principlamente por las proteínas, entre las que se destacan las SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment receptor), pero también por las propiedades fisicoquímicas de los lípidos que componen las membranas.

Reparación de membranas

Numerosos procesos naturales o la manipulación experimental de las células provocan la rotura de las membranas celulares. Por ejemplo, en los tejidos vivos sometidos a tensiones hay un proceso de rotura de la membrana plasmática, como ocurre frecuentemente en las células musculares. Pero también en los experimentos de clonación se necesita meter una pipeta, la captación de vectores o ADN supone a veces la poración de las membranas celulares, la propia manipulación supone roturas de membrana. La rotura de la membrana plasmática es letal para la célula si se prolonga más de unos cuantos segundos. Las células cuentan con mecanismos para reparar estos daños y mantener así las diferencias entre el medio interno y externo. Los tejidos que no son capaces de reemplazar a sus células como es el caso del sistema nervioso, estos mecanismos de reparación son especialmente interesantes.

Una rotura de la membrana plasmática rápidamente dispara la entrada masiva de calcio en la célula, lo que produce alteraciones celulares que, si se mantiene durante mucho tiempo, desencadenan la apoptosis (muerte celular programada). Per este incremento de calcio dispara también los mecanismos de reparación. El calcio dispara numerosas vías enzimáticas en paralelo que confluyen en la generación de vesículas y fusión de estas para sellar la membrana. Curiosamente ni el cloro, ni el sodio, ni el potasio paracen participar en los mecanimos de reparación de las membranas.

Reparación membranas

Cuando las roturas de la membrana son pequeñas, menores a unas 0.2 micras, las propiedades moleculares de los lípidos son suficientes para cerrar el hueco (Modificado de McNeil y Steinhardt, 2003)

Hay dos maneras de sellar la membrana según el tipo de daño que se produzca. Cuando los daños son pequeños (normalmente menores a 0.2 µm) las propiedades de los lípidos de la membrana son suficientes para repararlos. Ello es debido a que los lípidos en el borde de la membrana adoptan una disposición inestable que fuerza a dichos bordes a encontrarse y a sellarse. La rapidez con que este proceso ocurre depende de la tensión de la membrana, que depende a su vez de los puntos de anclaje, bien al citoesqueleto o a la matriz extracelular. Cuando se produce una rotura entra calcio a favor de gradiente de concentración, lo que hace que el citoesqueleto se desorganice parcialmente en la zona dañada y su efecto sobre la membrana disminuye, se rebaja así la tensión y aumenta la velocidad de resellado. Las proteínas ESCRT, que participan en los procesos membranosos de formación de vesículas internas en los cuerpos multivesiculares, también participan en el sellado de pequeñas roturas de membrana (<100 nm de anchura).

Cuando los daños son grandes (más de 0.2-0.5 µm) los bordes rotos libres de la membrana están demasiado lejos para se que puedan autosellar y se pone en funcionamiento un mecanismo de exocitosis masiva, es decir, fusión de vesículas con la membrana plasmática, aunque en este caso también incluye grandes compartimentos membranosos. El proceso sería el siguiente: la amplia rotura produce una gran entrada de calcio, éste provoca la formación y fusión de compartimentos membranosos próximos al lugar de la rotura, las cuales terminarán por fusionarse con los bordes de la membrana plasmática. Entre los compartimentos implicados en la fusión estarían los endosomas, los lisosomas, vesículas próximas y otros compartimentos especializados de distintos tipos celulares. Los lisosomas parecen especialmente importantes en este proceso. La endocitosis en la propia célula y la desorganización de las cisternas del reiculo ayudarían también a crear compartimentos que se fusionarían con la zona de rotura. El calcio también activa a enzimas protesas que favorecen el proceso de sellado, probablemente porque eliminan el citoesqueleto, lo que favorece el monvimiento de los compartimentos membranosos en la zona de rotura. Se ha propuesto que el mecanismo de fusión de membranas desarrollado por los eucariotas fue en realidad inventado para reparar las roturas que se producían en las membranas de las primeras células. Estos mecanismos se usaron después para el tráfico intracelular.

El mecanismo propuesto según el cual se forma un gran compartimento por la fusión de vesículas internas, y es éste el que se fusiona con la zona rota, propuesto por McNeil, no tiene soporte experimental. No se ha observado en microscopía electrónica y las mediciones eléctricas sugieren que el proceso de sellado es un mecanismo progresivo. Además, el sellado es más rápido en aquellas células con muchos compartimentos.

Reparación membranas

Cuando las roturas de la membrana son grandes, más de 0.2-0.5 micras, ocurre una gran entrada de calcio que dispara procesos similares a los de la exocitosis. Los orgánulos próximos son conducidos a la zona del daño, se fusionan con la membrana plasmática.

Las células y los tejidos tienen mecanismos para adaptarse a las tensiones mecánicas repetitivas: la matriz extracelular se especializa, aumentan los complejos de unión, aumentan los filamentos intermedios del citoesqueleto, aumenta las dimensiones y el número de compartimentos membranosos celulares, etcétera. En los cultivos celulares se pueden estudiar las respuestas de las células a las tensiones mecánicas. Se ha comprobado que ante un estiramiento del 10-15% las células aumentan su superficie de membrana por fusión de compartimentos internos. Esto ocurre normalmente en las células de la vejiga urinaria,que sufren grandes variaciones de tensión. Cuando las células en cultivo son estiradas dos veces, en la segunda se produce una reparación más rápida que en la primera. Se observa que la cantidad de vesículas producidas por el aparato de Golgi es mayor de lo normal, por lo que la célula puede responder con mayor eficacia. La sujeción de la células a la matriz extracelular también se ve reforzada. Así, las proteínas del citoesqueleto y de la matriz extracelular se incrementan en número para adaptarse a las tensiones mecánicas repetitivas.


Bibliografía específica

Bittner GD, Spaeth CS, Poon AD, Burgess ZS, McGill CH. 2016. Repair of traumatic plasmalemmal damage to neurons and other eukaryotic cells. Neuronal regeneration research 11:1033-1042.

Daleke DL. 2007. Phospholipid flippases. The journal of biological chemistry 282:821-825.

McNeil PL, Steinhardt RA. 2003. Plasma membrane disruption: repair, prevention, adaptation. Annual review in cell and development biology. 19:697-731.

Nicolson GL. 2014. The Fluid—Mosaic Model of Membrane Structure: Still relevant to understanding the structure, function and dynamics of biological membranes after more than 40years. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes. 1838(6): 1451-1466.

Quazi F, S. Molday RS 2011. Lipid transport by mammalian ABC proteins. Essays in biochemistry. 50, 265–290.



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Actualizado: 23-05-2017