Atlas de histología vegetal y animal

1. Asimetría

Las membranas celulares están formadas por una lámina 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 entre 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 fosfatidil colina y esfingolípidos, como y la esfingomielina, mientras que la fosfatidil etanolamina, fosfatidil inositol y la fosfatidil serina se localizan preferentemente en la hemicapa interna. Otro ejemplo de distribución asimétrica es el lípido fosfatidil inositol, localizado preferentemente 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. El colesterol, abundante en la membrana plasmática, se localiza sobre todo en la hemicapa citosólica. La separación de los diferentes tipos de lípidos entre las dos hemicapas de la membrana plasmática parece ser bastante estricta, con la excepción de la fosfatidil colina, que aparece también en el hemicapa citosólica.

La asimetría de los lípidos es además interesante porque crea una distribución diferente de cargas entre ambas superficies de la membrana, lo que contribuye al potencial de membrana. Así, 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 hemicapa interna. Además, esta asimetría facilita la asociación específicaa de proteínas que necesitan un ambiente eléctrico determinado y que es aportado por la naturaleza química de las cabezas de los lípidos. Por ejemplo, en el retículo endoplasmática no hay asimetría para la mayoría de los lípidos y su distribución de cargas es similar a ambos lados, pero no en la membrana plasmática, lo que hace que las proteínas se puedan segregar entre compartimentos por el ambiente eléctrico. También son importantes las propiedades físicas que tal asimetría aporta a las membranas y, por ejemplo, parece que una determinada composición lipídica de la hemicapa citosólica facilita la formación de vesículas hacia el citosol, es decir, la membrana plasmática 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 regulada, exponen rápidamente la fosfatidil serina 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" y cuando detectan una fosfatidil serina en la monocapa externa la devuelven rápidamente a la interna. También es importante la rotura de la asimetría de los lípidos en las plaquetas para el inicio de la coagulación sanguínea. Así, tras daños en los vasos se expone la fosfatidil serina en la superficie favoreciendo los procesos de coagulación. Incluso algunos virus recubiertos con membrana exponen en su monocapa externa fosfatidil serina y fostatidil etanolamina para ser eliminados con más facilidad por macropinocitosis o fagocitosis.

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 hemicapas 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 los glúcidos actúen como centros de reconocimiento y protección para las células. Las proteínas también tienen una orientación precisa en la membrana. En el caso de las proteínas transmembrana, con un dominio citosólico y otro extracelular o en el interior de los orgánulos. Esto es claro cuando observamos 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?

Lípidos

La distribución asimétrica de los lípidos (Figura 1) se produce principalmente en el aparato de Golgi, y en menor medida en otros compartimentos celulares. Curiosamente, en el retículo endoplasmático, donde mayoritariamente se sintetizan los lípidos, hay una distribución muy parecida entre las dos hemicapas, excepto para la fosfatidil serina, que se acumula en la monocapa luminal. Esto explica que no sea un lípido típico de las membranas de la gotas de lípidos, las cuales se forman a partir de la monocapa externa del retículo endoplasmático.

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 hemicapas 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")(Figura 2). Estas proteínas se encargan de transportar glicerofosfolípidos entre las dos hemicapas y generar asimetría.

Las flipasas son proteínas del grupo P4 de las ATPasas tipo P, las cuales incluyen a las ATPasas Na⁺/K⁺ y las ATPasas de Ca²⁺. Es decir, transportan lípidos con gasto de ATP. Las flipasas transportan los lípidos fosfatidil serina, fosfatidil etanolamina y algo de fosfatidil colina hacia la hemicapa citosólica. Las flopasas son transportadores del tipo ABC. Son proteínas transmembrana enormes con una cadena de aminoácidos que cruza la membrana hasta 12 veces. Las flopasas transportan lípidos de una manera no muy específica hacia la hemicapa citosólica con gasto de ATP. Las mezcladoras son proteínas pertenecientes a dos familias: TMEM16 y relacionadas con Xk. Cuando se activan son capaces de transportar lípidos en ambas direcciones. Las mezcladoras no necesitan ATP para llevar a cabo su función. Las mezcladoras de la familia TMEM16 se activan por un aumento de la concentración de calcio citosólico, mientras que las relacionas con Xk se activan por caspasas. Las primeras actúan en la coagulación sanguínea y las segundas durante la apoptosis, en ambos casos traslocan la fosfatidil serina hacia la superficie celular. Un defecto en TMEM16F lleva a un síndrome hemorrágico llamado de Scott. El ritmo de traslocación de las mezcladoras es muy alto, de unos 10000 lípidos por segundo, mientras que las flipasas y flopasas es de 10 a 100 lípidos por segundo, probablemente por la dependencia de estas últimas de la hidrólisis de ATP.

Los tres tipos de transportadores tienen una distribución desigual en los distintos orgánulos celulares y necesitan señales para su activación, excepto en el retículo endoplasmático donde las proteínas mezcladoras actúan de forma constitutiva. La desigual distribución de los lípidos se mantiene por la propia dificultad de los movimientos “flip-flop”. Por ejemplo, lo esfingolípidos, que no son traslocados mayoritariamente por estas proteínas, permanecen en la monocapa donde se sintetizan: la interna del aparato de Golgi, que será posteriormente la externa de la membrana plasmática. Más del 80 % de los esfingolípidos de la membrana plasmática se localizan en la monocapa externa.

Glúcidos

La distribución de los glúcidos, localizados en la hemicapa externa de la membrana plasmática y en la interior de endosomas y lisosomas, se produce durante su síntesis, primero en el retículo endoplasmático y posteriormente en el aparato de Golgi. En el retículo endoplasmático la síntesis comienza en la cara citosólica de sus membranas y termina en el cara interna. En el aparato de Golgi toda la síntesis ocurre en la cara interna de las cisternas.

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.

2. 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. Los procesos de rotura y de fusión de membranas están gobernados principalmente 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.

3. 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, donde aproximadamente entre el 20 y el 30 % de la células lo sufren. Los cardiomiocitos sufren pequeñas roturas periódicamente que reparan constantemente. Aproximadamente un un 6 % de las células epiteliales de la piel tienen que reparar sus membranas. En los experimentos de clonación se necesita meter una pipeta en la célula que atraviesa la membrana plasmática, la captación de vectores o ADN supone a veces la poración de las membranas celulares, la propia manipulación experimental supone roturas de membrana. En los tejidos que no son capaces de reemplazar a las células que mueren, como es el caso del sistema nervioso, estos mecanismos de reparación son especialmente necesarios. También hay enfermedades que tienen su base en una incapacidad para la reparación de roturas en las membranas como algunas miopatías, desórdenes neurológicos y enfermedades coronarias.

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. 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 (Figura 3), 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. En membranas modelo in vitro se ha visto que se generan constantemente pequeños agujeros de no más de unas pocas decenas de nanómetros consecuencia de la fluidez y disposición de los lípidos. Esto no se considera un daño y se cierran solos por la acción de los lípidos. La rapidez con que este proceso de reparación ocurre en las células 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. Otra manera de disminuir la tensión es por adición de más vesículas por exocitosis y eliminando curvaturas en la membrana. 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 (menores de 100 nm de anchura).

Cuando los daños son grandes, más de 0.2 - 0.5 µm), los bordes rotos de la membrana están demasiado lejos para se que puedan autosellar y se pone en funcionamiento un mecanismo de respuesta celular (Figura 4). La reparación debe durar de unos pocos segundos a decenas de segundos antes de que la célula muera. Para que se active la respuesta celular, el daño debe ser suficientemente grande y duradero. Este tipo de roturas 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 regulada), además de la pérdida de citoplasma. Se ha comprobado que en medios carentes de calcio los huevos de erizo de mar no reparan sus membranas y mueren. Este incremento de calcio dispara inicialmente los mecanismos de reparación. Curiosamente ni el cloro, ni el sodio, ni el potasio parecen disparar en los mecanismos de reparación de las membranas.

Se han propuesto varios mecanismos para la reparación de roturas grandes (Figura 4). El primero consiste en la creación de un parche. La rotura amplia de la membrana plasmática produce una gran entrada de calcio que inicia vías enzimáticas para la formación y fusión de compartimentos membranosos próximos al lugar de la rotura 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 retículo ayudarían a crear compartimentos que se fusionarían con la zona de rotura. También parecen actuar procesos de oxidación de ciertas proteínas que traban las vesículas en el lugar del agujero para que luego el calcio facilite su fusión. El calcio, además, activa a enzimas proteasas que favorecen el proceso de sellado, probablemente porque eliminan el citoesqueleto de la zona, lo que favorece el movimiento de los compartimentos membranosos en la zona de rotura. Los filamentos de actina movilizados parecen formar una especie de anillo en torno a la rotura que se va cerrando, tirando de membrana nueva hacia la 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 generar el tráfico intracelular.

El mecanismo propuesto según el cual se forma primero un gran compartimento por la fusión de vesículas internas, y luego éste el que se fusiona con la zona rota a modo de parche, 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.

Otros mecanismos de reparación son la formación de una invaginación de la membrana que incluye la zona de rotura. Al cerrarse la invaginación la membrana se sella y la membrana rota queda intracelularmente para ser degradada. Alternativamente se podría también emitir una expansión de la membrana que incorpora la rotura, a modo de las vesículas emitidas, y su posterior estrangulamiento haría que la membrana celular se sellara y quedara en el exterior celular la porción de la membrana con la rotura. Por último, podrían haber colaboración de las células vecinas, las cuales, tras detectar una rotura de membrana en otra célula, podrían retirarla por fagocitosis y colaborar en su sellado.

En el proceso de reparación van a intervenir una serie de proteínas que se pueden clasificar en detectoras, reguladoras de la fusión y reguladoras de la fisión de la membrana. Las proteínas sensoras tienen que activarse ante el incremento de la concentración de calcio en el citosol. Proteínas como las anexinas, sinaptotagminas, PDCD6, disferlina, galectinas, SNARE y ESCRT participan en estos procesos.

Las células y los tejidos tienen mecanismos para adaptarse a las tensiones mecánicas repetitivas, y así previenen roturas en la membrana plasmática: 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.

Hay que tener en cuenta que no sólo se producen roturas en la membrana plasmática sino también en los orgánulos, tales como el retículo, lisosomas y mitocondrias. Por ejemplo, la apoptosis se dispara por rotura de la envuelta nuclear externa de la mitocondria. Los complejos ESCRT son especialmente importantes en el sellado de las membranas de los orgánulos.

Hay que distinguir entre reparación de membrana y regeneración celular. La reparación de una membrana es reparar una rotura. La regeneración celular es además un mecanismo para recuperar la parte de la célula que se ha perdido durante el daño, de manera que la célula tiene que sintetizar y reconstruir la parte celular dañada y recuperar su situación previa.

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