Atlas de histología vegetal y animal

La composición química de las membranas hace que posean unas propiedades esenciales para la célula. Se pueden agruapar en cinco: semipermeabilidad, asimetría, fluidez, reparación y renovación.

1. Semipermeabilidad

Esta propiedad es consecuencia del ambiente hidrófobo interno de la membrana creado por las cadenas de ácidos grasos de los lípidos, difícil de cruzar por las moléculas con carga eléctrica neta. Permite a las membranas crear compartimentos intracelulares o mantener separados el medio intracelular del extracelular y, por tanto, impedir la libre difusión de diversos tipos de moléculas a su través. Sin embargo, la permeabilidad es selectiva. Las variables que más influyen en la difusión pasiva son la polaridad y el tamaño de la molécula. Así, moléculas pequeñas sin carga, por ejemplo el CO₂, N₂, O₂, o moléculas con alta solubilidad en grasas como el etanol cruzan las membranas prácticamente sin oposición, por un proceso de difusión pasiva (Figura 1). La permeabilidad de la membrana es menor para aquellas moléculas con cargas pero globalmente neutras (el número de cargas negativas iguala al de cargas positivas) como el agua o el glicerol. El agua no difunde libremente por las membranas. Es menor aún la capacidad de atravesar la membrana para moléculas grandes neutras pero con cargas, como la glucosa. Sin embargo, es altamente impermeable a los iones y a las moléculas que también carga neta.

La desigual distribución de iones y moléculas entre ambos lados de la membrana es la base para la creación de los gradientes químicos y eléctricos. La medida de esa diferencia de concentración de cargas es lo que se llama potencial de membrana, que se usa para muchas funciones celulares, como por ejemplo la síntesis de ATP o la transmisión del impulso nervioso. La semipermeabilidad de la membrana también permite el fenómeno de la ósmosis, es decir, el flujo de agua hacia donde más concentración de solutos haya. Las células vegetales deben su crecimiento a este proceso. Las moléculas que no cruzan las membranas libremente son interesantes para las células puesto que la variación de sus concentraciones a un lado u otro de la membrana puede actuar como señales o como herramientas. Por ello se han inventado proteínas integrales de membrana que permiten selectivamente el paso de estas sustancias de un lado al otro. La permeabilidad de las membranas también dependen de la composición de lípidos, particularmente el colesterol. Membranas más fluidas (ver más abajo) suelen ser más permeables, y al contrario, las menos permeables son menos fluidas.

2. Fluidez

La fluidez es la capacidad de una molécula que forma parte de una membrana para desplazarse por ella. En teoría, las moléculas podrían difundir y desplazarse por ella sin restricciones. Consideremos un glicerofosfolípido que está situado en la membrana plasmática en su monocapa externa. Tendría dos posibilidades de movimiento: uno lateral donde se desplazaría entre las moléculas contiguas, y otro en el que saltaría a la monocapa interna, movimiento denominado "flip-flop" (Figura 2). Los dos tipos de movimientos se han demostrado experimentalmente en membranas artificiales pero el primero es mucho más frecuente que el segundo. Sin embargo, los saltos entre monocapas son muy infrecuentes debido a que las cabezas polares de los lípidos se encuentran con la barrera de las cadenas de ácidos grasos. El colesterol posee, sin embargo, la capacidad de hacer movimientos "flip-flop" con relativa facilidad.

La fluidez de la membrana puede variar con su composición química. Así, generalmente, la menor longitud o la mayor cantidad de enlaces insaturados de las cadenas de ácidos grasos hacen que las membranas sean más fluidas. El colesterol también influye en la fluidez de la membrana, pero su efecto depende de las condiciones de temperatura y composición lipídica de la membrana. En general se puede decir que una mayor concentración de colesterol disminuye la fluidez de la membrana plasmática. Sin embargo, las bajas temperaturas disminuyen la fluidez de la membrana y en estas condiciones el aumento de la concentración de colesterol favorece la fluidez. Un efecto adicional de la concentración es que aumenta la hidrofobicidad, es dicir, las membranas se vuelven más impermeables.

LLas células pueden alterar la fluidez de sus membranas modificando la composición química de éstas. Las mitocondrias deben crear una barrera suficientemente permeable en su membrana interna como para crear un gradiente de protones estable. Para ello las mitocondrias cuentan con la cardiolipina, que es un fosfolípido muy insaturado, con lo que aumenta la hidrofobicidad evitando una excesiva disminución de la fluidez.

3. Heterogeneidad lateral

Debido a la fluidez de la membrana podría pensarse que las moléculas están distribuidas al azar y que por tanto la membrana sería homogénea en cuando a composición molecular en cualquier lugar de su superficie. Esto no es así y hay diversas restricciones a las movilidad lateral de las moléculas que hacen que la membrana tenga dominios con composiciones moleculares diferentes, es decir, sea heterogénea.

Las resticciones a la movilidad pueden ser causadas por diferentes mecanismos como interacción con moléculas del citoesqueleto o la matrix extracelular, interacciones moleculares entre las propias moléculas de la membrana, densidad (menor fluidez local), concentración de cargas eléctricas, grado de curvatura de la membrana o espesor de la misma (Figura 3).

Interacciones moleculares internas

Una restricción al movimiento de las moléculas en las membranas de las células se debe a las interacciones y asociaciones moleculares entre las propias moléculas de las membranas (Figura 4). Esto afecta tanto a proteínas como a los lípidos.

Los esfingolípidos y el colesterol se pueden asociar entre sí espontáneamente haciendo que su movilidad disminuya y por tanto se conviertan en una región membranosa más densa que el resto, como si de una balsa en un mar se tratara. Se cree que estas asociaciones, denominadas balsas de lípidos ("lipid rafts"), son muy abundantes y dinámicas y hacen que las membranas celulares sean en realidad un mosaico de dominios más densos que viajan entre los glicerofosfolípidos, más fluidos. Habría un confinamiento de proteínas en estos dominios celulares, lo que permitiría agrupar o segregar conjuntos de proteínas que favorecerían o no el inicio de cascadas de señalización intracelulares. Además, se postula que la alta concentración de ciertos tipos de lípidos en dichas balsas crea un ambiente químico propicio para determinadas reacciones químicas o interacciones moleculares.

En la monocapa interna de la membrana plasmática también se forman microdominios provocados por interacciones electrostáticas entre proteínas que tienen dominios citosólicos básicos y/o cationes divalentes y cabezas polares de lípidos cargadas negativamente. Aunque tradicionalmene se ha pensado que la monocapa externa y la interna de la membrana son independientes a la hora de distribuir sus heterogeneidades lipídicas respectivas, hay evidencias que pueden influirse entre sí. Las proteínas integrales o asociadas a la membrana también pueden interaccionar entre sí y pueden ensamblarse en estructuras macromoleculares que pueden favorecer la transmisión de señales, reconocimiento celular, activación enzimática, movimiento celular, etc.

Interacciones externas con el citoesqueleto y la matriz extracelular

Las proteínas integrales de membrana tienen numerosas restricciones a la movilidad, principalmente por culpa de las interacciones de sus dominios intra y extracelulares con moléculas del citoesqueleto y de la matriz extracelular, respectivamente (Figura 5). Estas interacciones anclan por tiempos más o menos prolongados las proteínas de membrana a lugares concretos de la superficie celular. Otra posibilidad es crear territorios a modo de cercados, donde las cercas son los filamentos del citoesqueleto, de manera que, sobre todo las proteínas, queden confinadas a regiones pequeñas delimintadas por el citoesqueleto. Los filamentos de actina y microtúbulos pueden controlar la difusión de las proteínas, además de los lípidos, creando barreras a modo de vallas en la superficie citosólica de la membrana, creando así dominios de membrana de lípidos sin la intervención del colesterol o los esfingolípidos. Las células tienen otros mecanismos para confinar proteínas a determinados dominios celulares.

Curvatura y espesor

Curvar una membrana es otra manera de crear dominios, y esta curvatura puede ser el proceso inicial de la formación de una vesícula, la extensión de una expansión celular, el cambio o crecimiento de un orgánulo, o simplemente un pliegue que actúa como barrera a las difusión lateral de moléculas.

La maquinaria necesaria para curvar una membrana requiere a su vez un dominio de membrana para llevarlo a cabo. Determinadas composiciones lipídicas o zonas con diferente carga eléctrica son sitios de atracción para la maquinaria. Los fosfoinosítidos son lípidos que participan en este reclutamiento, particularmente PIP2 y PIP3. Los microdominios de lípidos atraen a las proteínas que realmente curvan a las membranas de manera efectiva (Figura 6).

Otros dominios físicos de las membranas, aunque creados por moléculas presentes en la propia membrana como las proteínas transmembrana, son regiones de diferente espesor o altura (Figura 7). Son formados por proteínas transmembrana que tienen del dominio hidrofóbico más largo de lo habitual y por tanto se acomodan mejor en la membrana cuando se rodean de lípidos con cadenas de ácidos grasos largos.

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