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La célula. Ampliaciones

MODELO DE MEMBRANA

En esta página se explica como se ha llegado al modelo químico y físico de membrana celular con el que hoy se trabaja y se explica en los libros de texto

La estructura de la membrana celular, es decir, cómo se organizan las moléculas que la componen, ha ido en paralelo con el descubrimiento de dichas moléculas y sus propiedades, así como con el avance de las técnicas experimentales en los laboratorios. Inicialmente se pensaba que las células estaban delimitadas por una capa terminal de características desconocidas, que se describía como un límite del protoplasma.

La primera propuesta sobre la composición de la membrana fue hecha por Overton en 1895. Observó que las moléculas de naturaleza lipídica entraban más fácilmente en las células que las hidrofílicas por lo que intuyó que debía existir una barrera o cubierta lipídica delimitando a la célula. Incluso llegó a proponer que estaba compuesta de colesterol y otros lípidos.

Modelos de membrana

Principales propuestas y años aproximados en los que fueron hechas (modificado de Edidin 2003).

Más tarde, Inving Langmuir descubrió que los lípidos anfipáticos, con una parte hidrófoba y otra hidrofílica, que se disponían en las superficies acuosas formando monocapas con las cabezas polares hacia la parte acuosa. Es decir, formaban una membrana. Esta idea fue importante para interpretaciones posteriores de la membrana celular puesto que la célula poseía estos lípidos anfipáticos en forma de glicerofoslípidos y esfingolípidos. En torno a 1925, Gorter y Grendel, querían saber cuántos lípidos había en los eritrocitos. Se encontró que los lípidos extraídos de la membrana de los glóbulos rojos, los cuales sólo tienen la membrana plasmática, formaban una monocapa en la superficie de soluciones acuosas con un área que era el doble de la superficie estimada de la membrana del propio glóbulo rojo. Parece ser que se cometieron muchos errores cuantitativos en estos experimentos, pero, por suerte, unos compensaron a otros y el resultado final les llevó a proponer que los glicerofosfolípidos se organizaban formando una bicapa lipídica con las cabezas polares hacia la solución acuosa, intracelular y extracelular, respectivamente, mientras que sus partes hidrófobas quedaban recluidas en su interior, a salvo del ambiente acuoso. Habían propuesto el modelo de bicapa lipídica de la membrana celular que explicaba tanto sus características físicas como químicas, y que además era termodinámicamente favorecida. Esta disposición se ajustaba más o menos al grosor de la membrana de 4 nm, estimado por Fricke en 1920-1930 tras medir la capacitancia de la membrana. Este modelo de bicapa lipídica fue la base para futuros ajustes y reformulaciones de organización de la membrana celular.

En la década de 1930 nuevos experimentos aportaron datos acerca de las propiedades mecánicas de las membranas, los cuales no podían ser explicados simplemente con la participación de los lípidos. éstos incluían tensión superficial, permeabilidad de solutos y resistencia eléctrica. Por ejemplo, encontraron que algunas moléculas podían cruzar las membranas más fácilmente de lo esperado por sus características químicas, lo cual implicaba que tenían algún tipo de ayuda. Así que se introdujo a las proteínas como parte de las membranas y como responsables de esos nuevos datos experimentales. Davidson y Danielli propusieron un modelo trilaminar de la membrana incorporando a las proteínas a la bicapa lipídica. Colocaron a las proteínas recubriendo la bicapa lipídica, es decir, tapizando ambas superficies.

Modelos de membrana

Principales modelos de organización de la membrana celular (modificado de Becker et al., 2003).

Hasta que se pudieron observar las primeras muestras biológicas con el microscopio electrónico nadie pude asegurar como estaba estructurada la membrana celular. Esto ocurrió en los años 1950. El modelo trilaminar de Davidson y Danielli se vio reforzado por las imágenes de microscopía electrónica que se obtuvieron en los años 50, 60 y 70 del siglo pasado, en las cuales las membranas aparecían como tres líneas: dos líneas oscuras, separadas por una zona clara. Esta imagen se observó en todas las membranas de la célula y en todas las células estudiadas. Por ello, a esta organización oscuro-claro-oscuro se le denominó unidad de membrana, y se consideró universal para cualquier membrana celular. En esta época se midió el espesor de la membrana, 6-8 nm y Robertson propuso que la zonas oscuras correspondían a las proteínas y partes hidrofílicas y la zona central clara a las cadenas de lípidos.

Sin embargo, en esos mismos años también se propuso que algunas proteínas podrían incluso cruzar la membrana actuando como poros. Esto fue debido a que a medida que mejoraron las técnicas de separación de tipos de membrana se pudieron estudiar por separado sus composiciones químicas y se comprobó que era muy variable. Por ejemplo, había membranas con una tasa de lípidos respecto a las proteínas que podía variar desde el 50% al 80%. Por otro lado, muchas proteínas de membrana eran muy insolubles por lo que no se explicaba que fueran sólo periféricas en medio acuoso. Es decir, las proteínas no podían ser sólo periféricas, sino que deberían formar parte de la membrana con una porción de su cadena de aminoácidos localizada entre las cadenas de ácidos grasos y otras porciones hidrofílicas saliendo por ambos lados de la membrana. En la década de los 70 del siglo pasado dos líneas de investigación llegaron a esta conclusión: imágenes obtenidas con criofractura en las cuales se podían ver partículas insertas en la bicapa de lípidos, que no podían ser más que proteínas y los experimentos de estudio de moléculas en los que se podía distinguir entre dos partes de la misma moléculas, una era intracelular y la otra extracelular, lo que sólo podía explicarse si dicha molécula atravesaba completamente la membrana plasmática.

En 1972, Singer y Nicolson (Science 175: 720-731), propusieron el modelo de mosaico fluido de membrana para incorporar todos estos datos nuevos (ver figure 1 de Nicolson 2014). Proponen que las membranas están formadas por proteínas embebidas en una bicapa lipídica. Las proteínas se incorporan a la bicapa y tienen dominios intra y extracelulares. Esto es importante porque establece una vía de comunicación entre el interior y el exterior celular, bien mediante la creación de canales hidrofílicos, bien como elementos transportadores que permiten salvar la barrera de cadenas de ácidos grasos, o bien como receptores que transmiten la información mediante cambios de conformación de la propia estructura molecular frente a señales. A este modelo se le incorporaron posteriormente las proteínas periféricas, tanto las unidas convalentemente a la membrana como las asociadas mediante enlaces eléctricos. El término fluido fue otro gran avance conceptual y se propuso como consecuencia de los datos aportados por trabajos previos. McConell y Chapman realizaron experimentos de resonancia magnética en los que se mostraba que las moléculas de las membranas, tanto lípidos como proteínas, no estaban estáticas sino podían moverse lateralmente en la bicapa por difusión, con lo cual la membrana se transformó en una estructura dinámica y maleable. Incluso en estos experimentos se sugirió que la membrana es asimétrica, es decir que la monocapa citosólica tenía una composición diferente a la monocapa externa.

Este modelo de mosaico fluido ha explicado los datos experimentales conseguidos con otras técnicas actuales. Así, con la llegada de los marcajes selectivos de moléculas y su observación con microscopía de fluorescencia se pueden observar moléculas individuales en membranas íntegras y en condiciones más o menos fisiológicas. Se puede comprobar que las moléculas no están fijas en una posición sino que pueden moverse por la bicapa lipídica. Mediante espectroscopía cuantitativa se ha observado que los movimientos son sobre todo laterales, es decir, desplazamientos como si la molécula estuviera flotando en la bicapa lipídica, pero las inversiones o cambios de una monocapa a la otra de la membrana son muy infrecuentes.

Modelos de membrana

Modelo de membrana heterogénea, indicando las principales causas de esa heterogeneidad .

Actualmente, el modelo se ha ido modificando y ajustando a los nuevos datos experimentales. Por ejemplo, mediante el seguimiento del movimiento de moléculas en células in vivo, y posteriormente in vitro, se ha encontrado que los movimientos de las moléculas no son completamente al azar, es decir, hay restricciones al movimiento. Estas restricciones son evidentes para las proteínas, pero más recientemente también se han encontrado restricciones a los lípidos, afectando principalmente a los glicerofosfolípidos y al colesterol. Así, la membrana se ajusta al modelo de mosaico fluido en que las moléculas tienden a difundir lateralmente de forma libre, pero ese movimiento puede estar sometido a restricciones. Las restricciones a la movilidad de las moléculas de la membrana se agrupan en tres categorías: dependientes de las interacciones físico-químicas entre las propias moléculas, de las interacciones con el citoesqueleto o con la matriz extracelular y dependientes de las propiedades físicas de la propia membrana, fundamentalmente grosor y curvatura. Estas restricciones hacen que la membrana no sea homogénea sino que las moléculas se distribuyan y agrupen en áreas de la superficie celular para formar los denominados dominios de membrana. Estos dominios tendrían una composición molecular característica que le permitirían llevar a cabo diferentes funciones. Por tanto el modelo de membrana actual está basado en el modelo de mosaico fluido, pero curiosamente, la posibilidad de difusión de las moléculas no produce una homogeneidad química de la membrana sino todo lo contrario, una heterogeneidad de dominios distribuidos por toda la extensión de la membrana. Cada uno de estos dominios puede variar su posición, su número, su tamaño, aparecer y desaparecer en intervalos de tiempo cortos, y todo ello según las necesidades funcionales de la célula. La fluidez, paradójicamente, favorece la formación y la dinámica de estos dominios.

Bibliografía

Alberts A, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. 2007. Molecular Biology of the Cell. 5th editon. Garlan Science. ISBN: 9780815341055.

Becker WM, Kleinsmith LJ, Hardin J, Raasch J. 2003. The world of the cell. 6th. San Francisco: Benjamin Cummings. ISBN-10: 0321716027 ISBN-13: 9780321716026.

Edidin M. Lipids on the frontier: a century of cell-membrane bilayers. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2003. 4(5), 414-418.

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.

Pollard TD, Earnshaw WC, Lippincott-Schwartz J. 2007. Cell biology. 2th edition. Saunders Elsevier Inc. ISBN: 978-1-4160-2255-8.

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Actualizado: 07-04-2015