Biomol Cuarto Parcial PDF

otras membranas para transportar el contenido desde un orgá-- Formación espontánea de bicapas nulo hacia otro (véase capítulo 14). 14). de fosfolípidos El análisis de las biomembranas comienza con la cons...

otras membranas para transportar el contenido desde un orgá-- Formación espontánea de bicapas nulo hacia otro (véase capítulo 14). 14). de fosfolípidos El análisis de las biomembranas comienza con la conside- ración de sus componentes lipídicos. Estas moléculas no solo La naturaleza anfipática de los fosfolípidos gobierna sus afectan la forma y la función de las membranas, también con- interacciones y es esencial para la estructura de las biomem- tribuyen al anclaje de las proteínas a la membrana, a modificar branas. Cuando una suspensión de fosfolípidos se dispersa las actividades de las proteínas de membrana y a transducir por medios mecánicos (p. ej., por ultrasonido o “sonicación”) las señales al citoplasma. Después, se considerará la estruc- en una solución acuosa, los fosfolípidos se agregan para dar tura de las proteínas de la membrana, muchas de las cuales lugar a una de tres formas: micelas esféricas o liposomas liposomas,, o tienen grandes segmentos incluidos en el núcleo hidrocarbo- bicapas de fosfolípidos similares a laminillas, que tienen dos nado de la bicapa de fosfolípidos, y se focalizará la atención moléculas de espesor (fig. 10-3). El tipo de estructura formada en las principales clases de estas proteínas transmembrana. por los fosfolípidos puros o por una mezcla de fosfolípidos, en Por último, se analizará cómo son sintetizados lípidos tales ausencia de proteínas agregadas, depende de varios factores como los fosfolípidos y el colesterol en las células, y cómo se que incluyen la longitud de las cadenas de acilos grasos en la distribuyen en sus numerosas membranas y orgánulos. cola hidrófoba, su grado de saturación (es decir, la cantidad de enlaces C—C y C==C) y la temperatura. En las tres estructu- ras, el efecto hidrófobo (véase capítulo 2) causa la agregación de las cadenas de acilos grasos y excluye las moléculas de agua 10.1 La bicapa lipídica: composición del núcleo de la estructura. Rara vez se forman micelas con y organización estructural En el capítulo 2 se aprendió que los fosfolípidos constitu- yen los principales bloques estructurales de las biomembranas. Bicapa de la membrana Hay muchos tipos de fosfolípidos, pero los más comunes en las (a) biomembranas son los fosfoglicéridos (véase fig. 2-20). Todos los fosfolípidos son moléculas anfipáticas, es decir, consisten en dos segmentos con propiedades químicas muy distintas: una “cola” hidrocarbonada con base de ácido graso (acilo graso) que es hidrófoba (“teme al agua”) y se separa del agua, y un Exterior “grupo de cabeza” polar que es fuertemente hidrófilo (“ama el agua”) y tiende a interactuar con las moléculas de agua. En Citosol gran medida, las interacciones de los fosfolípidos entre sí y con el agua determinan la estructura de las biomembranas. Además de los fosfolípidos, las biomembranas contienen cantidades más pequeñas de otros lípidos anfipáticos, tales como los glucolípidos y el colesterol, que hacen importantes contribuciones a la función de las membranas. En primer tér- mino, se considerarán la estructura y las propiedades de las bicapas de los fosfolípidos puros, y después se analizarán la (b) Grupos de la cabeza polar composición y la conducta de las membranas celulares na- turales. Por último, se considerará de qué manera la compo- sición precisa de lípidos de determinada membrana influye sobre sus propiedades físicas. Colas hidrofóbicas Grupos de la cabeza polar FIGURA 10-3. La estruc estructur tura a de bicapa de las biomembr anas.. (a biomembranas (a) (c) Fotomicrografía electrónica de un corte fino a través de la membrana de un eritrocito, teñida con tetróxido de osmio. La apariencia carac- terística de “vía de ferrocarril” de la membrana indica la presencia de dos capas polares, compatible con la estructura de bicapa de las membranas fosfolipídicas. (b) Interpretación esquemática de la bicapa fosfolipídica, en la cual los grupos polares enfrentan el exterior para Micela proteger las colas de acilos grasos hidrófobos del agua. El efecto hi- drófobo y las interacciones de van der Waals entre las colas de acilos Liposoma grasos impulsan el ensamblaje de la bicapa (véase ca capítulo 2). (c) Vis- pítulo 2) Vis- (d) tas transversales de otras dos estructuras formadas por la dispersión de los fosfolípidos en el agua. Una micela esférica tiene un interior Proteína de la membrana hidrófobo compuesto en su totalidad por cadenas de acilos grasos; un liposoma esférico consiste en una bicapa fosfolipídica que rodea un centro acuoso. (d) En determinadas circunstancias, los lípidos pueden asumir incluso otras formas de organización. Se muestra la fase cúbica de los lípidos, una estructura altamente regular recurrente que facilita la formación de los cristales de proteínas de la membrana, que de otro modo cristalizan con dificultad. (Par (Partte a: a: Warr Warren en Rosenb Rosenberg erg/F /Fu unda nda-- mental Photographs). 444 O 10 Estruc CAPÍTULO CAPÍTUL Estructura tura de las bomembranas bomembranas fosfolípidos naturales, cuyas cadenas de acilos grasos por lo Las tres estructuras mencionadas no son las únicas formas general son demasiado voluminosas para ajustarse en el inte- que pueden adoptar los lípidos en un medio acuoso. Las con- rior de una micela. No obstante, se forman micelas si se elimi- figuraciones inusuales de los lípidos han sido fundamentales na por hidrólisis una de las dos cadenas de acilos grasos que para imponer orden sobre las proteínas de membrana que de constituyen la cola de un fosfolípido para formar un lisofos- otro modo son difíciles de cristalizar, por ejemplo, los recep- folípido, como sucede después del tratamiento con la enzima tores acoplados a proteína G, y así permitir el análisis crista- fosfolipasa. En soluciones acuosas, los detergentes comunes lográfico de las proteínas de membrana en un medio lipídico y los jabones forman micelas que se comportan como las bo- verdadero (fig. 10-3d). las en los rodamientos muy pequeños, y esto confiere a las soluciones jabonosas su tacto resbaladizo y sus propiedades Las bicapas fosfolipídicas forman un lubricantes. Las mezclas de fosfolípidos de la composición presente en compartimiento sellado que rodea las células forman de manera espontánea una bicapa fosfoli- un espacio acuoso interno pídica simétrica. Cada capa de fosfolípidos en esta estructura Las bicapas fosfolipídicas pueden generarse en el labora-- laminar se denomina laminilla u hojuela hojuela.. Las cadenas de aci- torio por medios simples al emplear fosfolípidos química-- los grasos hidrófobas de cada laminilla reducen al mínimo el mente puros o mezclas de lípidos de la composición que se contacto con el agua al alinearse juntas estrechamente en el encuentra en las membranas celulares (fig. 10-4). Estas bi- centro de la bicapa para formar una zona central hidrófoba capas sintéticas presentan tres propiedades importantes. En de unos 3 a 4 nm de espesor (véase fig. 10-3b). El estrecho primer lugar, son virtualmente impermeables a los solutos empaquetamiento de estas colas no polares es estabilizado por solubles en agua (hidrófilos) que no difunden con facilidad interacciones de van der Waals entre las cadenas hidrocarbo- a través de la bicapa. Estos solutos incluyen sales, azúcares nadas. Las interacciones de los grupos de las cabezas polares y la mayoría de otras moléculas hidrófilas pequeñas, incluso entre sí y con el agua son estabilizadas mediante enlaces de el agua. La segunda propiedad de la bicapa es su estabilidad. hidrógeno e iónicos. Con el uso de microscopia electrónica de cortes delgados de las membranas de células, teñidas con tetróxido de osmio que se une con fuerza a los grupos polares de las cabezas de los fosfolípidos, se distingue la estructura de Bicapa la bicapa (véase fig. 10-3a). Un corte transversal de una mem- fosfolipídica Oligosacárido brana simple teñida con tetróxido de osmio tiene el aspec- to de una vía de ferrocarril: dos líneas delgadas oscuras (los Proteína complejos de las cabezas agrupadas teñidas) con un espacio claro y uniforme de alrededor de 2 nm entre ellas (las colas hidrófobas). Una bicapa fosfolipídica puede tener un tamaño casi ilimi- tado, desde micrómetros (μm) hasta milímetros (mm) de lon- gitud o espesor, y contener decenas de millones de moléculas de fosfolípidos. La bicapa fosfolipídica es la unidad estructu- ral básica de casi todas las membranas biológicas. Su centro hidrófobo impide que la mayoría de las sustancias hidrosolu- Se trata con bles atraviesen la membrana de un lado al otro. Aunque las solvente Las proteínas y los oligosacáridos biomembranas contienen otras moléculas (p. ej., colesterol, orgánico forman un residuo insoluble glucolípidos, proteínas), las dos soluciones acuosas están se- que se extrae paradas por la bicapa fosfolipídica, que actúa como barrera de permeabilidad. En consecuencia, la bicapa lipídica define los compartimentos celulares y separa el interior de la célula Fosfolípidos en solución del mundo exterior. Se evapora el solvente Se dispersan Se disuelven los fosfolípidos los fosfolípidos en el solvente y se aplicar en en agua el agujero pequeño FIGURA EXPERIMENTAL 10-4. For ormación mación y estudio estudio de bica- bica- de la división pas fosfolipídicas puras. Par artete superi or: se trata uperior: trata unun prep prepararad adoo de de Bicapa División membranas biológicas con un solvente orgánico, por ejemplo una plana de plástico mezcla de cloroformo y metanol (3:1), que solubiliza selectivamente los fosfolípidos y el colesterol. Las proteínas y los hidratos de carbono permanecen en un residuo insoluble. El solvente se extrae por evapo- ración. Par arte te inferio izquierda: si los inferiorr, izquierda: los mat mate eria riale less ex extraí raído doss se disp disper erssan por medios mecánicos en el agua, forman espontáneamente un lipo- soma, que se muestra en un corte transversal, con un compartimiento interno acuoso. Par arte te inferior derecha: es posib inferior,, derecha: posiblle form formarar una una bica bicappa Agua Agua plana, que también se muestra en un corte transversal, por encima de un pequeño agujero en una división que separa dos fases acuosas; se Liposoma puede emplear un sistema de este tipo para estudiar las propiedades físicas de las bicapas, por ejemplo, su permeabilidad a los solutos. 10.1 La bicapa lipídica: composición y organización estructural 445 Las interacciones hidrófobas y de van der Waals entre las una célula completa o un compartimiento interno, tienen cadenas de acilos grasos mantienen la integridad del inte-- una cara interna (la superficie orientada hacia el interior del rior de la estructura de la bicapa. Aun cuando el ambiente compartimiento) y una cara externa (la superficie presen- acuoso del exterior pueda presentar amplias variaciones en tada al entorno). Con mayor frecuencia, las dos superficies fuerza iónica y pH, la bicapa tiene la fuerza requerida para de una membrana celular se designan cara citosólica y cara retener su arquitectura característica. En tercer lugar, todas exoplasmática.. Esta nomenclatura es útil para destacar la las bicapas fosfolipídicas pueden formar de modo espontá-- equivalencia topológica de las caras de diferentes membra-- neo compartimientos cerrados sellados, en los cuales el espa-- nas, tal como se muestra en el diagrama de las figuras 10-5 cio acuoso del interior está separado del medio exterior. Un y 10-6 10-6.. Por ejemplo, la cara exoplasmática de la membrana borde de una bicapa fosfolipídica, como el que se muestra plasmática está orientada desde el citosol y hacia el espacio en la figura 10-3b, con el núcleo hidrocarbonado de la bica- extracelular o el ambiente externo, y define el límite externo pa expuesto a una solución acuosa, es inestable; las cadenas de la célula. La cara citosólica de la membrana plasmática de acilos grasos expuestas estarían en un estado energético enfrenta el citosol. mucho más estable si no se localizaran en sitios adyacen-- De modo similar, para los orgánulos y las vesículas rodea-- tes a moléculas de agua, sino más bien rodeadas por otras dos por una única membrana, la cara citosólica está dirigi-- cadenas de acilos grasos. En consecuencia, en una solución da hacia el citosol. La cara exoplasmática siempre se dirige acuosa, las láminas de las bicapas fosfolipídicas sellan es-- hacia afuera desde el citosol y en este caso se encuentra en pontáneamente sus bordes y forman una bicapa esférica que el interior del orgánulo, en contacto con el espacio acuo-- encierra un compartimiento acuoso central. El liposoma re-- so interno o luz. La luz de una vesícula es topológicamen- presentado en la figura 10-3c es un ejemplo de tal estructura, te equivalente al espacio extracelular, un concepto que se vista en un corte transversal. Incluso es posible formar e in-- comprende con mayor facilidad en relación con las vesículas movilizar las bicapas fosfolipídicas sobre un soporte sólido, que surgen por invaginación (endocitosis) de la membrana por ejemplo, un portaobjetos de microscopio, que permite plasmática. La cara externa de la membrana plasmática se incorporar proteínas de membrana, y así estudiar su com-- convierte en la cara interna de la membrana de la vesícula portamiento en el plano de la membrana mediante diversas mientras que, en la vesícula, la cara citosólica de la membra-- técnicas microscópicas. na plasmática aún enfrenta el citosol (véase fig. 10-6) 10-6). Esta propiedad fisicoquímica de una bicapa fosfolipídica Tres orgánulos (el núcleo, la mitocondria y el cloroplasto) tiene importantes implicaciones para las membranas celu-- están rodeados por dos membranas, no por una sola. La su- lares: ninguna membrana de una célula puede presentar perficie exoplasmática de cada membrana enfrenta el espacio un borde con cadenas de acilos grasos hidrocarbonados que se encuentra entre las dos membranas (el espacio inter- expuestos. Todas las membranas forman compartimientos membrana). Quizás se comprenda mejor esto en relación con cerrados, similares en su arquitectura básica a los liposo-- la hipótesis del endosimbionte, analizada en el capítulo 12, 12, la la mas. Dado que todas las membranas celulares encierran cual postula que las mitocondrias y los cloroplastos surgieron Mitocondria Vesícula Externa Membranas Interna mitocondriales Matriz Espacio intermembrana Golgi Cara exoplasmática Lisosoma FIGURA 10-5. Las car caras as de las membranas celu celu-- lares. La me membr mbrananaa plasmáti plasmáticca, una una memb membrrana de de bicapa simple, rodea la célula. En esta representa- ción muy esquemática, el citosol interno (tostado) Cara citosólica y el ambiente externo (blanco) definen las caras Retículo endoplasmático citosólica (rojo) y exoplasmática (gris) de la bicapa. Las vesículas y algunos orgánulos tienen una mem-- Membrana plasmática brana simple, y su espacio acuoso interno (blanco) es topológicamente equivalente al exterior de la Núcleo célula. Tres orgánulos: el núcleo, la mitocondria y el Citosol Exterior cloroplasto (no mostrado) están rodeados por dos membranas separadas por un pequeño espacio intermembrana. Las caras exoplasmáticas de las membranas interna y externa alrededor de estos or- Interna Membranas Externa gánulos bordean el espacio intermembranoso entre nucleares ellas. Por simplicidad, en este diagrama no se indica Espacio intermembrana el interior hidrófobo de la membrana. 446 O 10 Estruc CAPÍTULO CAPÍTUL Estructura tura de las bomembranas bomembranas en etapas iniciales de la evolución de las células eucariontes, por inclusión de bacterias capaces de realizar fosforilación oxidativa o fotosíntesis, respectivamente (véase fig. 12-7 ). 12-7). Asimismo, las bacterias gramnegativas tales como Escherichia coli están rodeadas por dos membranas (véase fig. 1-12). Las membranas naturales de diferentes tipos celulares muestran una diversidad de formas que complementan la fun- ción de la célula. La superficie lisa y flexible de la membrana plasmática de los eritrocitos permite que la célula se compri- ma a través de los estrechos capilares sanguíneos (fig. 10-7). fig. 10-7). Algunas células presentan una extensión larga y delgada de la membrana plasmática, denominada cilio o flageloflagelo,, que golpea a manera de látigo (véase fig. 1-15). Este movimiento impulsa al líquido a fluir a través de la superficie de una lámina de cé- lulas o para que un espermatozoide nade hacia un óvulo. Las diversas formas y propiedades de las biomembranas plantean un interrogante clave en la biología celular: de qué manera se regula la composición de las membranas biológicas, a fin de establecer y mantener la identidad de las diversas estructu- ras de la membrana, y los compartimientos que delimita. Este 5 mm tema se vuelve a tratar en la sección 10.3 y en en el el capítulo 14. 14. FIGURA 10-7. Var ariación iación de las biomembr biomembranas en diferen diferentes tipo tipos Las biomembranas contienen tres clases celulares. Una mem membr bran anaa lisa lisa y fl flexib ible le cubr cubree la supe super f ic icie ie de de la cé- cé- principales de lípidos lula discoide del eritrocito, como se observa en esta fotomicrografía electrónica de barrido. (Omi Omikkronon//ScScie ienc ncee Sou ourrce). El término fosfolípido se refiere a cualquier lípido anfipá- tico con un grupo cabeza de base fosfato y una cola hidrófo- ba con dos cadenas. Una biomembrana típica no se compone solo de fosfolípidos; de hecho, contiene tres clases de lípidos anfipáticos: los fosfoglicéridos, los esfingolípidos y los este- funciones en la membrana (fig. 10-8). Si bien todos los fosfo- roles, que difieren en sus estructuras químicas, abundancia y glicéridos son fosfolípidos, solo ciertos esfingolípidos lo son y ningún esterol lo es. Los fosfoglicéridos, la clase más abundante de fosfolípidos en la mayoría de las membranas, son derivados del glicerol Cara exoplasmática Proteína de membrana 3-fosfato (véase fig. 10-8a). Una molécula de fosfoglicé- Segmento rido típica consiste en una cola hidrófoba compuesta por exoplasmático dos cadenas de acilos grasos esterificadas a los dos grupos hidroxilos en el glicerol fosfato, y un grupo de cabeza po-- Segmento lar unida al grupo fosfato. La estructura que comprende la citosólico porción glicerol y las dos cadenas de acilos grasos se deno-- mina diacilglicerol. Las dos cadenas de acilos grasos pue- den diferir en la cantidad de carbonos que contienen (por lo general, 16 o 18) y en su grado de saturación (0, 1 o 2 dobles enlaces). Un fosfoglicérido se clasifica de acuerdo Endocitosis Exocitosis con la naturaleza del grupo de su cabeza. En las fosfatidil-- Cara colinas, los fosfolípidos más abundantes en la membrana citosólica Luz plasmática, el grupo de la cabeza consiste en colina, un al-- cohol con carga positiva, esterificado al fosfato con carga negativa. En otros fosfoglicéridos, una molécula que contie-- ne OH, tal como etanolamina, serina o el derivado azúcar inositol, está ligada al grupo fosfato. En el caso del grupo FIGURA 10-6. Las ca cara rass de de la me membran anaa ce celul ulaar se se con conservan de cabeza inositol, los grupos hidroxilo pueden presentar durante la invaginación y la fusión de las membranas. Las sup supeer f i- ulteriores modificaciones con fosfatos para dar una clase cies rojas de la membrana son las caras citosólicas; las grises, las caras de fosfolípidos, denominados fosfoinosítidos, que cumplen exoplasmáticas. Durante la endocitosis, un segmento de la membrana una función importante en la transducción de señales, como plasmática invagina hacia el interior, hacia el citosol; por último, se se estudia en los capítulos 15 y 1616.. El grupo fosfato de car- desprende una vesícula independiente. Durante este proceso, la cara citosólica de la membrana plasmática permanece enfrentando al cito- ga negativa y los grupos con carga positiva, o los grupos sol, y la cara exoplasmática de la nueva vesícula de membrana enfren- hidroxilo de la cabeza, interactúan con gran fuerza con el ta la luz de la vesícula. Durante la exocitosis, una vesícula intracelular agua. Con pH neutro, algunos fosfoglicéridos (p. ej., fos-- se fusiona con la membrana plasmática, y la luz de la vesícula (cara fatidilcolina y fosfatidiletanolamina) no presentan carga exoplasmática) se conecta con el medio extracelular. Las proteínas eléctrica neta, mientras que otros (p. ej., fosfatidilinositol que abarcan la membrana retienen su orientación asimétrica durante y fosfatidilserina) presentan una única carga negativa neta. la invaginación y la fusión de las vesículas; en particular, el mismo Sin embargo, los grupos polares de la cabeza en todos estos segmento siempre enfrenta al citosol. fosfolípidos se pueden empaquetar juntos en la estructura 10.1 La bicapa lipídica: composición y organización estructural 447  Porción variable (a) Fosfoglicéridos del grupo de la cabeza H H N+ PE O H Glicerol O O CH3 CH3 1 3 2 P N+ PC O O O CH3 O− O Cola hidrofóbica H O H N+ O H PS − O O OH OH HO 6 4 OH 5 O 2 1 3 OH PI O Plasmalógeno 1 3 2 P X O O O O− Grupo variable O de la cabeza O Esfingosina (b) Esfingolípidos OH O CH3 CH3 P N+ O O CH3 O− NH SM O OH O O OH HO OH GlcCer CH 3 (c) Esteroles CH3 H3C CH3 H3C CH3 H3C CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 HO HO HO Colesterol Ergosterol Estigmasterol (animal) (fúngico) (vegetal) FIGURA 10-8. Tre ress clases lípidos de membrana. (a) La clase s de lípidos La mayoría mayoría a la esfingosina por un enlace amida. Las esfingomielinas (SM), que de los fosfoglicéridos son derivados de glicerol 3-fosfato (rojo), que contienen en su cabeza un grupo fosfocolina, son fosfolípidos. Otros contiene dos cadenas de acilos grasos esterificados que constituyen esfingolípidos son glucolípidos, en los cuales un único residuo de la “cola” hidrófoba, y un “grupo de la cabeza” polar esterificado al azúcar o un oligosacárido ramificado está unido al esqueleto de fosfato. Los ácidos grasos pueden variar en longitud, y ser saturados esfingosina. Por ejemplo, un glucocerebrósido simple (GlcCer) posee (sin dobles enlaces) o insaturados (uno, dos o tres dobles enlaces). un grupo glucosa en la cabeza. (c) Los principales esteroles de los En la fosfatidilcolina (PC), el grupo de la cabeza es colina. También se animales, hongos y vegetales difieren ligeramente en su estructura, muestran las moléculas unidas al grupo fosfato en otros tres fosfogli-- pero todos sirven como componentes clave de las membranas ce-- céridos comunes: la fosfatidiletanolamina (PE), la fosfatidilserina (PS) lulares. La estructura básica de los esteroles es un hidrocarbono de y el fosfatidilinositol (PI). Los plasmalógenos contienen una cadena cuatro anillos (amarillo). Al igual que otros lípidos de la membrana, de acilo graso unida al glicerol mediante un enlace éster y otra unida los esteroles son anfipáticos. El grupo hidroxilo único es equivalente mediante un enlace éter; contienen los mismos grupos en la cabeza al grupo polar de la cabeza de otros lípidos; el anillo conjugado y la que los otros fosfoglicéridos. (b) Los esfingolípidos son derivados cadena hidrocarbonada corta forman la cola hidrófoba. Vé Véaase de la esfingosina (rojo), un amino alcohol con una cadena hidrocar-- H. Sprong, P. van der Sluijs y G. van Meer., 2001, Natu Naturre Rev Rev. Mol. bonada larga. Diversas cadenas de acilos grasos están conectadas Cell Biol.. 2:50 4 -513 13.. 448 O 10 Estruc CAPÍTULO CAPÍTUL Estructura tura de las bomembranas bomembranas característica de bicapa. Cuando las fosfolipasas actúan so-- estructura de bicapa por sí solos. En cambio, a las concentra- bre los fosfoglicéridos, producen lisofosfolípidos que care-- ciones que se encuentran en las membranas naturales, estos es- cen de una de las dos cadenas acilo. Los lisofosfolípidos no teroles se deben intercalar entre moléculas de fosfolípidos para son solo moléculas de señalización importantes, liberadas ser incorporados a las biomembranas. Cuando se intercalan desde las células y reconocidas por receptores específicos; de este modo, los esteroles proporcionan soporte estructural a su presencia también puede afectar las propiedades físicas las membranas, y así evitan un empaquetamiento demasiado de las membranas en las que residen. cercano de las cadenas acilo de los fosfolípidos, a fin de man- Los plasmalógenos son un grupo de fosfoglicéridos que tener una medida significativa de fluidez de la membrana y, contienen una cadena de acilo graso unida al carbono 2 del al mismo tiempo, conferir la rigidez necesaria requerida para glicerol mediante un enlace éster, y una larga cadena hidrocar- proveer soporte mecánico. Parte de estos efectos pueden ser bonada unida al carbono 1 del glicerol por un éter (C—O—C), en su mayor medida locales, como en el caso de las balsas de de preferencia a un enlace éster. Los plasmalógenos se en- lípidos, analizadas más adelante. cuentran con particular abundancia en los tejidos cerebral y Además de su papel estructural en las membranas, el coles- cardíaco humanos. La mayor estabilidad química del enlace terol es el precursor de varias moléculas importantes con ac- éter de los plasmalógenos, comparado con los enlaces éster, tividad biológica, incluso los ácidos biliares, que se sintetizan y las sutiles diferencias en la estructura tridimensional entre en el hígado y contribuyen a emulsionar las grasas de la dieta los plasmalógenos y otros fosfoglicéridos pueden tener una para su digestión y absorción en los intestinos; las hormo- importancia fisiológica aún no reconocida. nas esteroides producidas por las células endocrinas (p. ej., la Una segunda clase de lípidos de la membrana son los esfingo esfingo-- glándula suprarrenal, los ovarios y los testículos); y la vitami- lípidos.. Todos Todos estos compuestos son derivados de la esfingosi- esfingosi- na D, producida por la piel y los riñones. Otra función crítica na, un amino alcohol con una cadena hidrocarbonada larga que del colesterol es su adición covalente a la proteína Hedgehog, contiene un ácido graso de cadena larga unido mediante un en-- una molécula de señalización clave en el desarrollo embriona- lace amida al grupo esfingosina (véase fig. 10-8b). Al igual que rio (véase capítulo 16). los fosfoglicéridos, algunos esfingolípidos presentan un grupo polar fosfato en la cabeza. En la esfingomielina, el esfingolípido más abundante, la fosfocolina está unida al grupo hidroxilo ter-- La mayoría de los lípidos y muchas proteínas minal de la esfingosina (véase fig. 10-8b; SM). En consecuencia, tienen movilidad lateral en las biomembranas la esfingomielina es un fosfolípido, y su estructura general es bastante similar a la de la fosfatidilcolina. Las esfingomielinas En el plano bidimensional de una bicapa, el movimiento tienen formas similares a los fosfoglicéridos y pueden formar térmico permite a las moléculas de lípidos la libre rotación bicapas mixtas con ellos. Otros esfingolípidos son glucolípidos alrededor de sus ejes longitudinales y difundir en dirección anfipáticos, cuyos grupos polares de las cabezas son azúcares lateral dentro de cada laminilla. Dado que estos movimientos que no están ligados a las colas mediante un grupo fosfato (por son laterales o rotacionales, las cadenas de acilo graso per- lo tanto, no son fosfolípidos). El glucoesfingolípido más simple, manecen en el interior hidrófobo de la bicapa. Tanto en las el glucosil cerebrósido, contiene una unidad de glucosa simple membranas naturales como en las artificiales, una molécula unida a la esfingosina. En los glucoesfingolípidos complejos, de lípido típica intercambia el lugar con sus vecinas en una denominados gangliósidos, una o dos cadenas de azúcares ra- laminilla unas 107 veces por segundo, y difunde varios mi- mificadas (oligosacáridos) que contienen grupos de ácido siáli-- crómetros por segundo a 37 ºC. Estas velocidades de difusión co están unidas a la esfingosina. Los glucolípidos constituyen el indican que la bicapa es 100 veces más viscosa que el agua, 2-10% del contenido total de lípidos en las membranas plasmá-- con casi la misma viscosidad que el aceite de oliva. Aunque ticas; son más abundantes en el tejido nervioso. los lípidos difunden con mayor lentitud en la bicapa que en un El colesterol y sus análogos constituyen la tercera clase im- solvente acuoso, un lípido de la membrana podría difundir la portante de lípidos de las membranas, los esteroles. Su estruc- longitud de una célula bacteriana típica (1 μm) en solo un se- tura básica es la de un hidrocarburo isoprenoide de cuatro gundo, y la longitud de una célula animal, en unos 20 segun- anillos. Las estructuras del principal esterol de las levaduras (el dos. Cuando las membranas fosfolipídicas artificiales puras ergosterol) y los fitosteroles vegetales (p. ej., el estigmasterol) se enfrían por debajo de 37 ºC, los lípidos pueden sufrir una muestra ligeras diferencias con el colesterol, el principal esterol transición de fase desde un estado similar al líquido (fluido) de los animales (véase fig. 10-8c). Las pequeñas diferencias en hasta uno similar al gel (semisólido), análogo al de la tran- las vías de biosíntesis, y en las estructuras de los esteroles de los sición líquido-sólido que se produce cuando se solidifica la hongos y los animales, son la base de la mayor parte de los fár- manteca derretida o se congela el agua líquida (fig. 10-9). Por macos antimicóticos empleados en la actualidad. Al igual que debajo de la temperatura de transición de fase, la velocidad de los otros dos esteroles, el colesterol presenta un sustituyente difusión de los lípidos disminuye en forma estrepitosa. A las hidroxilo en un anillo. Si bien el colesterol tiene una composi- temperaturas fisiológicas habituales, por lo general el interior ción casi totalmente hidrocarbonada, es anfipático porque su hidrófobo de las membranas naturales tiene baja viscosidad y grupo hidroxilo puede interactuar con el agua. Dado que ca- una consistencia similar al líquido, en contraste con la consis- rece de un grupo fosfato en su cabeza, no es un fosfolípido. El tencia similar al gel observada a menores temperaturas. colesterol es especialmente abundante en las membranas plas- En las bicapas de membranas puras (es decir, en ausencia máticas de las células de los mamíferos, pero está ausente en de proteínas), los fosfolípidos y los esfingolípidos rotan y se la mayoría de las células procariontes y en todas las vegetales. desplazan en sentido lateral, pero por lo general no migran Hasta el 30-50% de los lípidos en las membranas plasmáticas en forma espontánea ni se invierten (flip-flop) de una capa de los vegetales consiste en ciertos esteroides exclusivos de los a la otra. La barrera energética es demasiado alta; la migra-- vegetales. Entre el 50 y el 90% del colesterol de la mayoría ción requeriría desplazar el grupo de la cabeza polar desde de las células de los mamíferos está presente en la membrana su ambiente acuoso, a través del núcleo hidrocarbonado de plasmática y en las vesículas asociadas. El colesterol y otros la bicapa, hasta la solución acuosa del otro lado. Se requie-- esteroles son demasiado hidrófobos para poder formar una ren proteínas especiales de la membrana, estudiadas en el 10.1 La bicapa lipídica: composición y organización estructural 449  para hacer un seguimiento del desplazamiento. Para las pro- teínas, se marca con un colorante fluorescente un fragmento de un anticuerpo monoclonal (véase capítulo 23) específico Calor para el dominio exoplasmático de la proteína deseada, que tiene solo un sitio de unión al antígeno, marcado con un colo- rante fluorescente (como alternativa, una fusión genética con proteína fluorescente verde puede lograr el mismo objetivo). Con este método, que se describe en la figura 10-10, es posible Consistencia similar determinar la velocidad a la cual se desplazan las moléculas en Consistencia similar a un gel a un fluido la membrana (el coeficiente de difusión) así como la propor- ción de las moléculas con desplazamiento lateral. Los resultados de los estudios de FRAP con fosfolípidos mar-- cados con fluorescencia han demostrado que, en las membra-- nas plasmáticas de los fibroblastos, todos los fosfolípidos tienen movilidad libre en distancias de aproximadamente 0,5 μm, pero la mayoría no puede difundir a distancias mucho mayo-- res. Estos hallazgos sugieren que en la membrana plasmática hay regiones ricas en proteínas de alrededor de 1 μm de diá-- metro que separan áreas ricas en lípidos que contienen la ma-- FIGURA 10-9. Fo Forrmas de bicapa lipídica con con forma similar a un yor parte de los fosfolípidos de la membrana. Los fosfolípidos gel y a un fluido. Parartte superi or:: rep uperior repres resent entaació ción n de la la transici transicióón de tienen libertad para difundir dentro de estas regiones, pero no gel a fluido. Los fosfolípidos con cadenas acilo grasas saturadas largas desde una región rica en lípidos hacia otra adyacente. Además, tienden a ensamblarse en una bicapa similar a un gel muy ordenada, la velocidad de difusión lateral de los lípidos en la membra-- en la cual hay escasa superposición de las colas no polares en las dos na plasmática es casi de un orden de magnitud más lenta que laminillas. El calor desordena las colas no polares e induce una transi-- en las bicapas de fosfolípidos puros: las constantes de difusión ción de gel a fluido dentro de un rango de temperatura de solo unos 10−8 cm2/s y 10−7 cm2/s son características de la membrana plas- pocos grados. A medida que la cadena se desordena, el espesor de mática y de una bicapa lipídica, respectivamente. Esta diferencia la bicapa también disminuye. Par arte inferior:: modelos molec te inferior moleculalarres de sugiere que los lípidos pueden estar unidos en forma estrecha, monocapas fosfolipídicas en los estados de gel y fluido, determinados por cálculos de dinámica molecular. (Da (Dattos de H. H. Heller, Heller, M. M. Sc Schaefer y aunque no irreversible, a ciertas proteínas integrales en algunas K. Schulten, 1993, J. Ph Chem. 97 Phys. Chem. 97::8343 43).). membranas, como de hecho se ha demostrado recientemente (véase el análisis sobre fosfolípidos anulares, más adelante). capítulo 11,, para que los lípidos de la membrana y otras La composición de lípidos influye sobre moléculas polares alternen de una laminilla a la otra. Los desplazamientos laterales de las proteínas y los lípidos las propiedades físicas de las membranas específicos de las membranas plasmáticas pueden ser cuanti- Una célula típica contiene muchos tipos diferentes de membra-- ficados mediante una técnica denominada recuperación de la nas, cada una con propiedades singulares derivadas de su mezcla fluorescencia después de la fotodecoloración (FRAP).. Se uti- particular de lípidos y proteínas. Los datos del cuadro 10-1 ilus- lizan fosfolípidos que contienen un sustituyente fluorescente tran la variación en la composición de lípidos de las diferentes CUADRO 10-1 Principales componen componenttes lipídicos lipídicos de biomembranas biomembranas seleccionadas seleccionadas Composición (mol %) Fuente/Localización PC PE + PS SM Colesterol Membrana plasmática (eritrocitos humanos) 21 29 21 26 Membrana de mielina (neuronas humanas) 16 37 13 34 Membrana plasmática (frijol mungo) 47 43 0 0 Membrana mitocondrial interna (coliflor) 42 38 0 0 Membrana mitocondrial externa (coliflor) 47 27 0 0 Membrana plasmática (E. coli) E. coli) 0 85 0 0 Membrana del retículo endoplásmico (rata) 60 25 3 7 Membrana de Golgi (rata) 51 26 8 13 Membrana interna de la mitocondria (rata) 40 37 2 7 Membrana externa de la mitocondria (rata) 54 31 2 11 Localización de la laminilla primaria Exoplasma Citosol Exoplasma Ambos PC = fosfatidilcolina; PE = fosfatidiletanolamina; PS = fosfatidilserina; SM = esfingomielina. FUENTE: datos de S. E. Horvath and G. Daum, 2013, “Lipids of Mitochondria”, Prog. Lipid Res. 52:590-614. 450 O 10 Estruc CAPÍTULO CAPÍTUL Estructura tura de las bomembranas bomembranas (a) Proteína de membrana Reactivo fluorescente Área decolorada Decoloración Recuperación Etiqueta con láser de fluorescencia Célula 1 2 3 (b) Intensidad de fluorescencia (unid. arb.) Fluorescencia antes de decolorar 3000 50% 2000 inmóviles 50% móviles 1000 Decoloración 50 100 150 Tiempo (s) FIGURA EXPERIMENTAL 10-10. Recupe Recuperración de la fluores fluore scen cen-- decoloradas difunden hacia afuera. El grado de recuperación de la cia después de experimentos de fotodecoloración (FRAP) que fluorescencia en la zona decolorada es proporcional a la fracción permiten cuantificar el desplazamiento lateral de las proteínas de moléculas marcadas que tienen movilidad en la membrana. y los lípidos dentro de la membrana plasmática. (a) Pr oto co l o (b) Resultados de un experimento FRAP con células de hepatoma experimental. Paso 1: prim p rime e ro se s e marcan marc an lasl as cé cé lula lulass con con un u n reac rea c ti tivvo humanas tratadas con un anticuerpo fluorescente específico para fluorescente que se une de modo uniforme a un lípido o una pro-- la proteína receptora de la asialoglucoproteína. El descubrimiento teína específicos de la membrana. La fusión genética de la proteína de que el 50% de la fluorescencia regresó al área decolorada indica deseada con proteína fluorescente verde (GFP) puede lograr el que el 50% de las moléculas del receptor en la zona de membrana mismo objetivo. Paso 2: despu de spués és se s e enfo e nfocc a una un a luz láse l áserr sob s obre re un iluminada eran móviles, y el 50%, inmóviles. Dado que la velocidad área pequeña de la superficie celular, a fin de decolorar de manera de recuperación de la fluorescencia es proporcional a la velocidad irreversible el reactivo unido (o GFP) y así reducir la fluorescencia a la cual las moléculas marcadas se desplazan hacia la región deco-- en el área iluminada. Paso 3: a su debd ebidido o tiemp ti empo, o, la fl f l uo uores rescen cencia cia lorada, a partir de esos datos es posible calcular el coeficiente de de la zona decolorada aumenta a medida que las moléculas de difusión de una proteína o un lípido en la membrana. (Datos de superficie fluorescentes no decoloradas difunden hacia allí y las Bio l. 111:1 Y. I. Henis et.al., 1990, J. Cell. Biol. :14 4 0 9). membranas biológicas. Varios fenómenos contribuyen a estas de esfingolípidos en estas membranas intestinales puede aumen-- diferencias. Por ejemplo, la abundancia relativa de fosfoglicé-- tar su estabilidad debido a los extensos enlaces de hidrógeno ridos y esfingolípidos difiere entre las membranas del retículo generados por el grupo –OH libre en el residuo de esfingosina endoplasmático (RE), donde se sintetizan los fosfolípidos, y el (véase fig. 10-8). 10-8). complejo de Golgi, donde se sintetizan los esfingolípidos. La pro-- El grado de fluidez de la bicapa depende de la composición de porción de esfingomielina, como el porcentaje de fósforo total lípidos, la estructura de las colas hidrófobas de los fosfolípidos y de los lípidos en la membrana, es aproximadamente 6 veces más la temperatura. Como ya se observó, las interacciones de van der elevado en las membranas del complejo de Golgi que en las del Waals y el efecto hidrófobo inducen la agregación de las colas no RE. En otros casos, el desplazamiento de las membranas desde polares de los fosfolípidos. Las largas cadenas de acilos grasos un compartimiento celular hacia otro puede enriquecer a ciertas saturados tienen la mayor tendencia a agregarse, con empaque-- membranas, en forma selectiva, en lípidos tales como el coles-- tamientos estrechos en un estado similar al gel. Los fosfolípidos terol. En respuesta a los diferentes ámbitos de un organismo, con cadenas cortas de acilos grasos, que poseen menos superficie los distintos tipos de células generan membranas con diversas y, en consecuencia, menor cantidad de interacciones de van der composiciones lipídicas. Por ejemplo, en las células que tapizan Waals, forman bicapas más fluidas. De modo similar, los plie-- el tracto intestinal, las membranas que enfrentan el riguroso am-- gues en las cadenas de acilos grasos cis-insaturadas (véase capí capí-- biente en el cual se digieren los nutrientes de la dieta tienen un tulo 2)) dan por resultado la formación de interacciones de van cociente esfingolípido-fosfoglicérido-colesterol de 1:1:1, en lugar der Waals menos estables con otros lípidos y, en consecuencia, de la proporción de 0,5:1,5:1 que se encuentra en las células so-- bicapas más fluidas que las cadenas saturadas lineales, que pue-- metidas a menos estrés. La concentración relativamente elevada den formar empaquetamientos más estrechos entre sí. 10.1 La bicapa lipídica: composición y organización estructural 451  El colesterol es importante para mantener la adecuada flui- (a) dez de las membranas naturales, una propiedad que parece ser esencial para el crecimiento y la reproducción normales de las células. El colesterol restringe el movimiento aleatorio de los grupos de las cabezas de los fosfolípidos en las superficies ex- ternas de las laminillas, pero su efecto sobre el desplazamiento de las largas colas de los fosfolípidos depende de su concen- 3,5 nm 4,0 nm 4,6–5,6 nm tración. A las concentraciones de colesterol normalmente pre- sentes en la membrana plasmática, la interacción del anillo de esteroide con las largas colas hidrófobas de los fosfolípi- dos tiende a inmovilizar estos lípidos y, en consecuencia, dis- minuye la fluidez de la biomembrana. Esta es la propiedad que puede contribuir a organizar la membrana plasmática PC PC y en subdominios discretos de composición exclusiva de lípi- SM SM y colesterol dos y proteínas. No obstante, a concentraciones de colesterol colesterol más bajas, el anillo de esteroide separa y dispersa las colas de los fosfolípidos; esto ocasiona que las regiones internas de la (b) (c) Cara exoplasmática membrana adquieran una fluidez ligeramente mayor. La composición de lípidos de una bicapa también influye sobre su espesor, y a su vez, esto puede influir en la distribu- ción de los otros componentes de la membrana, por ejemplo Cara las proteínas, en una membrana particular. Se ha argumen- citosólica tado que segmentos relativamente cortos transmembrana de PC ciertas enzimas situadas en el complejo de Golgi (las glucosil- transferasas) son una adaptación a la composición lipídica de la membrana de Golgi, y contribuyen a la retención de estas enzimas en el interior del complejo de Golgi. Los resultados de los estudios biofísicos efectuados en membranas artificia- PE les demuestran que la esfingomielina se asocia para formar una bicapa más similar a un gel y más gruesa que los fosfo- FIGURA 10-11. Efec Efecto to de la composición lipídica sobre el espesor espesor y glicéridos (fig. 10-11a). El colesterol y otras moléculas que la curvatura de la bicapa.. (a (a) Una bic bicap apaa de es esfing ngom omie ielina lina (S (SM) pura pura es más gruesa que una formada por un fosfoglicérido, como la fosfati-- disminuyen la fluidez de la membrana también incrementan dilcolina (PC). El colesterol ejerce un efecto ordenador sobre los lípidos su espesor. Dado que las colas de esfingomielina ya presentan en las bicapas de fosfoglicéridos, que incrementa su espesor, pero no una estabilización óptima, la adición de colesterol no tiene afecta el espesor de la bicapa más ordenada de SM. (b) Los fosfolípidos efecto sobre el espesor de una bicapa de esfingomielina. como la PC tienen una forma cilíndrica y, en esencia, forman monoca-- Otra propiedad dependiente de la composición de lípidos de pas planas, mientras que los conformados por grupos de cabezas más una bicapa es la curvatura, que depende de los tamaños rela-- pequeñas, como la fosfatidiletanolamina (PE), tienen forma cónica. tivos de los grupos de las cabezas polares y de las colas no po-- (c) Una bicapa enriquecida con PC en la laminilla exoplasmática, y con lares de sus constituyentes fosfolipídicos. Los lípidos con colas PE en la cara citosólica, como ocurre en muchas membranas plasmáti-- largas y grupos de cabezas grandes presentan forma cilíndrica; cas, tendrá una curvatura natural. (I(Inf nfor ormación mación de de H. Sprong et at., 20 2001, los que tienen grupos de cabezas pequeños son de forma cónica Nature Rev. Mol. Cell Biol.. 2:504- 04-5513). (fig. 10-11b). En consecuencia, las bicapas compuestas por lípi fig. 10-11b). lípi-- dos cilíndricos son relativamente planas, mientras que las que contienen grandes cantidades de lípidos coniformes forman bi-- de la membrana, algunos son más abundantes en una laminilla capas curvas (fig. 10-11c). Este efecto de la composición de que en la otra. Por ejemplo, en las membranas plasmáticas de lípidos sobre la curvatura de la bicapa puede desempeñar un los eritrocitos humanos y de las células de riñón caninas Madin- papel importante en la formación de membranas muy curva-- Darby (MDCK) obtenidas por cultivo, casi la totalidad de la es-- das, como los sitios de invaginación viral (véase fig. 10-2), y fingomielina y la fosfatidilcolina, que forman ambas las bicapas en la formación de vesículas internas a partir de la membrana menos fluidas, se encuentran en la laminilla exoplasmática. Por plasmática (véase fig. 10-6), así como en estructuras de mem- el contrario, la fosfatidiletanolamina, la fosfatidilserina y el fos-- brana estable especializadas, tales como las microvellosidades. fatidilinositol, que forman las bicapas más fluidas, de preferencia Varias proteínas, incluso los reticulones (RTN en vertebrados; se localizan en la laminilla citosólica. Dado que la fosfatidilseri-- proteínas similares a reticulones o RTNL en otros eucariontes), na y el fosfatidilinositol tienen carga negativa neta, a menudo el tramo de aminoácidos en la cara citosólica de una proteína se unen a la superficie de una bicapa fosfolipídica e inducen de membrana con un único segmento transmembrana está en-- la curvatura de la membrana; estas proteínas son importantes riquecido por residuos con carga positiva (Lys, Arg) en estrecha para la formación de vesículas de transporte que se invaginan cercanía con ese segmento transmembrana (esta distribución de desde una membrana donante (véase capítulo 14). aminoácidos cargados se denomina la regla de “interior posi-- tivo”). Esta segregación de lípidos a través de la bicapa puede La composición de lípidos es diferente ejercer influencia sobre la curvatura de la membrana (véase ). A diferencia de los fosfolípidos particulares, el co- fig. 10-11c). co- en las laminillas exoplasmática y citosólica lesterol está distribuido en forma relativamente equivalente en Una característica de todas las membranas biológicas es la asi-- ambas laminillas de las membranas celulares. metría en la composición de lípidos a través de la bicapa. Si bien Es posible determinar, en forma experimental, la abundan- la mayoría de los fosfolípidos está presente en ambas laminillas cia relativa de un fosfolípido particular en ambas laminillas 452 O 10 Estruc CAPÍTULO CAPÍTUL Estructura tura de las bomembranas bomembranas de la membrana plasmática, sobre la base de la susceptibi- con el diacilglicerol. Como se verá en el capítulo 15, tanto los lidad de los fosfolípidos a la hidrólisis por fosfolipasas, las fosfoinositoles hidrosolubles como el diacilglicerol incluido en enzimas que escinden los enlaces éster por medio de los cuales la membrana participan en las vías de señalización intracelular se conectan las cadenas acilo y los grupos de las cabezas que que afectan muchos aspectos del metabolismo celular. En condi-- contienen las moléculas de los lípidos (fig. 10-12). Cuando se ciones normales, la fosfatidilserina también es más abundante en añaden al medio externo, las fosfolipasas no pueden atravesar la laminilla citosólica de la membrana plasmática. En las etapas la membrana y, por lo tanto, solo escinden los grupos de las iniciales de la estimulación plaquetaria por el suero, la fosfatidil-- cabezas de aquellos lípidos presentes en la cara exoplasmá- serina es translocada durante un breve período a la cara exoplás-- tica; los fosfolípidos en la laminilla citosólica son resistentes mica, al parecer por una enzima flipasa, donde activa enzimas a la hidrólisis, porque las enzimas no tienen capacidad para que participan en la coagulación sanguínea. La asimetría lipídica penetrar la cara citosólica de la membrana plasmática. ya no se mantiene cuando las células mueren, y la fosfatidilse-- Aún no está claro cómo se origina la distribución asimétrica rina, normalmente abundante en la laminilla citosólica, se en-- de los fosfolípidos en las laminillas de la membrana. Como se cuentra ahora aumentada en la exoplasmática. Esta exposición ha observado, en las bicapas puras los fosfolípidos no migran incrementada se detecta experimentalmente mediante el uso de o alternan (flip-flop) espontáneamente de una laminilla a la la versión marcada de la anexina V, una proteína que se une en otra. En parte, la asimetría en la distribución de los fosfolípidos forma específica a la fosfatidilserina, para medir el inicio de la puede reflejar el lugar de síntesis de estos lípidos en el retículo muerte celular programada (apoptosis). Tal como se estudia en el endoplasmático y el complejo de Golgi. La esfingomielina es capítulo 22,, la mayor exposición de fosfatidilserina en las células sintetizada en la cara luminal (exoplasmática) del complejo de moribundas o muertas es reconocida por las células fagocíticas, Golgi, que se convierte en la cara exoplasmática de la membra-- que inician la captación de los cuerpos apoptóticos y así asegu-- na plasmática. Por el contrario, los fosfoglicéridos se sintetizan ran la disposición oportuna y segura de los residuos celulares. en la cara citosólica de la membrana del RE, que es topológica-- mente equivalente a la cara citosólica de la membrana plasmáti-- El colesterol y los esfingolípidos se agrupan ca (véase fig. 10-5). No obstante, es obvio que esta explicación con proteínas específicas en microdominios no da cuenta de la localización preferencial de la fosfatidilcolina (un fosfoglicérido) en la laminilla exoplasmástica. Es probable de la membrana que el desplazamiento de este fosfoglicérido, y quizás de otros, Los lípidos de la membrana no se encuentran distribuidos desde una laminilla hacia la otra en algunas membranas natu-- al azar (como mezcla uniforme) en cada laminilla de una bica-- rales sea catalizado por proteínas de transporte impulsadas por pa. Una pista de la posible organización de los lípidos dentro ATP, denominadas flipasas, que se analizan en el capítulo 11. 11. de las laminillas fue el descubrimiento de que, después de la La localización preferencial de los lípidos en una cara de la bi-- extracción (solubilización) de las membranas plasmáticas con capa es necesaria para una diversidad de funciones dependientes detergentes no iónicos como el Tritón-X100, en los lípidos re-- de la membrana. Por ejemplo, los grupos de la cabeza de todas manentes se observa un contenido predominante de dos espe-- las formas fosforiladas de fosfatidilinositol (véase fig. 10-8b; PI), cies: colesterol y esfingomielina. Dado que estos dos lípidos se una fuente importante de segundos mensajeros, enfrentan el cito-- encuentran en las bicapas más ordenadas y menos fluidas, los sol. La estimulación de muchos receptores de la superficie celular investigadores formularon la hipótesis de que forman micro-- por sus ligandos correspondientes da como resultado la activa-- dominios, denominados balsas lipídicas, rodeados por otros ción de la enzima citosólica fosfolipasa C, que a su vez puede fosfolípidos más fluidos que se extraen con mayor facilidad hidrolizar el enlace interno del PI que conecta los fosfoinositoles mediante detergentes no iónicos. (En la sección 10.2 se analiza con mayor profundidad el papel de los detergentes iónicos y no iónicos en la extracción de las proteínas de membrana). Grupo polar R Se cuenta con evidencias bioquímicas y microscópicas que de la cabeza D sustentan la existencia de balsas lipídicas que, por lo general, O en las membranas naturales tienen 50 nm de diámetro. Las 2O P O balsas pueden ser desarmadas mediante metil-β β-ciclodextrina, que extrae de modo específico el colesterol de las membranas, o O C con antibióticos como la filipina, que secuestra el colesterol en 3 CH2 O agregados dentro de la membrana. Estos hallazgos indican la importancia del colesterol en el mantenimiento de la integridad 2 CH O C (CH2)nCH3 de estas balsas lipídicas. Esas fracciones de balsa, definidas por 1 CH2 su insolubilidad en detergentes no iónicos, contienen un sub-- conjunto de proteínas de membrana plasmática, muchas de las O cuales están implicadas en la detección de las señales extracelu-- A1 A2 C O lares y su transmisión al citosol. Dado que estas fracciones de balsa están enriquecidas en glucolípidos, una herramienta im-- (CH2) portante para la visualización al microscopio de las estructuras n CH3 de tipo balsa en las células intactas consiste en emplear la toxina del cólera marcada con fluorescencia, una proteína que se une FIGURA 10-12. Especi specificidad las fosfolipasas. Cada tip ficidad de la tipoo de fosfo fosfo-- en forma específica a ciertos gangliósidos. Al poner en estrecha lipasa escinde uno de los enlaces susceptibles que se muestran en rojo. proximidad muchas proteínas clave y estabilizar sus interaccio-- Los átomos de carbono del glicerol están indicados con números peque-- nes, las balsas lipídicas pueden facilitar la señalización mediante ños. En las células intactas, solo los fosfolípidos de la laminilla exoplas-- receptores de la superficie celular y la posterior activación de los mática de la membrana plasmática son escindidos por las fosfolipasas procesos en el citosol. Sin embargo, aún resta mucho por apren-- del medio circundante. La fosfolipasa C, una enzima citosólica, escinde der acerca de la estructura y la función biológica de las balsas ciertos fosfolípidos en la laminilla citosólica de la membrana plasmática. lipídicas. Las singulares propiedades de algunas de los lípidos 10.1 La bicapa lipídica: composición y organización estructural 453 asociados a las balsas, por ejemplo los glucolípidos, pueden per-- gotita lipídica se parte por escisión del RE. Después, la gotita mitir interacciones de sus colas a través del núcleo hidrófobo y citoplasmática resultante queda rodeada por una monocapa de contribuir a organizar los lípidos de la laminilla citosólica, en la fosfolípidos. Aún restan definir con mayor claridad los detalles formación de plataformas de señalización. de la biogénesis de la gotita lipídica, así como sus funciones. Las células almacenan los excesos de lípidos en gotitas lipídicas CONCEPTOS CLAVE DE LA SECCIÓN 10.1 Las gotitas lipídicas son estructuras vesiculares, compuestas La bicapa lipídica: composición por ésteres de colesterol y triglicéridos, que se originan en el RE y cumplen una función de almacenamiento de lípidos. Cuan-- y organización estructural do el suministro de lípidos de una célula excede la necesidad Las membranas son cruciales para la estructura y la inmediata para la construcción de la membrana, los lípidos en función celulares. La célula eucarionte está separada del exceso se relegan a estas gotitas lipídicas, que se visualizan con medio externo por la membrana plasmática, y organizada facilidad en las células vivas al ser teñidas con un colorante li-- en subcompartimientos internos limitados por membranas pofílico como el rojo Congo. La alimentación de las células con (orgánulos y vesículas). ácido oleico, un tipo de ácido graso, aumenta la formación de gotitas lipídicas, que no son solo compartimientos de almace-- La bicapa fosfolipídica es la unidad estructural básica de namiento para los triglicéridos y los ésteres de colesterol, dado todas las biomembranas compuesta por una lámina bidi-- que también sirven como plataformas de almacenamiento de mensional de lípidos, con caras hidrófilas y un núcleo hi-- proteínas marcadas para la degradación. La biogénesis de las drófobo impermeable a moléculas solubles en agua y en gotitas lipídicas comienza con la deslaminación de la bicapa iones; las proteínas incluidas en la bicapa dotan a la mem-- lipídica del RE, a través de la inserción de triglicéridos y ésteres brana de funciones específicas (véase fig. 10-1 10-1).). de colesterol (fig. 10-13). La “lente” de lípidos continúa cre- Los fosfolípidos forman espontáneamente bicapas y ciendo por inserción de más lípidos hasta que, finalmente, una compartimientos sellados que rodean un espacio acuoso (véase fig. 10-3). 10-3). membrana 3 Como bicapas, todas las membranas tienen una cara in- in- citosolica membraanatica a terna (citosólica) y una cara externa (exoplasmática) (véase ). Algunos orgánulos, por ejemplo en E. coli, están fig. 10-5). Membrana rodeados por dos bicapas de membrana en lugar de una. del RE Los componentes lipídicos principales de las biomembra- biomembra- nas son los fosfoglicéridos, los esfingolípidos y los estero-- les, como el colesterol. El término “fosfolípido” se aplica a cualquier molécula de lípido anfipática que presenta una