Membranas: Estructura, Química y Función (Wayne Becker) PDF

Membranas: estructura, 7 química y función Una característica fundamental de todas las células es la branas y los orgánulos rodeados por membrana en el Ca-...

Membranas: estructura, 7 química y función Una característica fundamental de todas las células es la branas y los orgánulos rodeados por membrana en el Ca- presencia de membranas que definen los límites de la cé- pítulo 4; ahora estamos preparados para tratar en mayor lula y de sus diversos compartimentos internos. Es proba- detalle la estructura y función de la membrana. En este ca- ble que incluso el observador ocasional de micrografías pítulo, examinaremos la estructura molecular de las mem- electrónicas se quede impactado por la prominencia de branas y exploraremos los múltiples papeles que las mem- membranas rodeando las células y dentro ellas, especial- branas desempeñan en la vida de la célula. En el Capítulo 8 mente las de los organismos eucarióticos (Figura 7.1). De trataremos el transporte de solutos a través de la membra- manera introductoria, nos hemos encontrado con las mem- na poniendo más énfasis en los mecanismos implicados. Chloroplast Secretory granules Plasma Plasma membrane membranes Vacuole Nuclear envelope Nuclear envelope Nucleus Nucleus Rough ER Mitochondria Mitochondria (a) Rat pancreas cells (b) Plant leaf cell 5 ␮m 5 ␮m Figura 7.1 La importancia de las membranas que rodean y están en el interior de las células eucariotas. Las estructuras de las células eucariotas que están relacionadas con membranas son además de la membrana plasmática, el núcleo, los cloroplastos, las mitocondrias, el retículo endoplasmático (RE), los gránulos secretores y las vacuolas. Estas estructuras se muestran aquí en (a) porciones de tres células del páncreas de rata y (b) una célula de una hoja de una planta (MET). Membranas: estructura, química y función 169  Las funciones de las membranas membrana que rodea a la célula y regula el paso de mate- riales hacia dentro y hacia fuera de las células. Además de Comenzamos nuestra discusión fijándonos en que las la membrana plasmática, varias membranas intracelula- membranas biológicas, como se ilustra en la Figura 7.2, res sirven para compartimentalizar funciones dentro de desempeñan cinco papeles relacionados entre sí, pero las células eucarióticas. distintos. 1 definen los límites de la célula y limitan sus compartimentos. 2 sirve como sitio concreto donde se 2 En las membranas se sitúan proteínas específicas realizan funciones específicas y 3 poseen proteínas de y por tanto son los lugares donde se realizan funciones transporte que facilitan y regulan el movimiento de sus- específicas tancias hacia el interior y hacia el exterior de la célula y de sus compartimentos. Además, las membranas 4 contie- Las membranas tienen funciones específicas asociadas a nen los receptores necesarios para detectar señales externas ellas ya que las moléculas y estructuras responsables de es- y 5 proporcionan los mecanismos para la comunicación tas funciones —proteínas en la mayor parte de los casos— intercelular. Cada una de estas funciones se describe breve- están incluidas o localizadas en las membranas. De hecho, mente en las siguientes cinco secciones. una de las maneras más útiles para caracterizar una mem- brana específica, es describir las enzimas concretas, las pro- 1 teínas de transporte, los receptores y otras moléculas aso- Las membranas definen límites y sirven como ciadas a ellas. barreras de permeabilidad Por ejemplo, muchas enzimas características están pre- Una de las funciones más obvias de las membranas es defi- sentes en las membranas, o sobre ellas, de orgánulos tales nir los límites de la célula y sus compartimentos y servir como la mitocondria, el cloroplasto, el retículo endoplas- como barreras de permeabilidad. El interior de la célula mático (RE), el complejo de Golgi, los lisosomas y los pe- debe estar separado físicamente del medio ambiente que le roxisomas, como aprenderemos en los Capítulos 10, 11 y rodea no sólo para mantener las sustancias deseadas en la 12. A menudo, tales enzimas, resultan útiles como marca- célula sino para mantener fuera de ella a las sustancias no dores durante el aislamiento de orgánulos a partir de sus- deseadas. Las membranas sirven bien para este propósito pensiones de células desorganizadas. Por ejemplo, la gluco- porque el interior hidrofóbico de la membrana es una ba- sa fosfatasa es una enzima ligada a la membrana que se rrera de permeabilidad efectiva para las moléculas hidrofí- encuentra en el retículo endoplasmático. Cuando las licas e iones. La barrera de permeabilidad de una célula en membranas del RE se aíslan y se purifican (como pequeñas su conjunto es la membrana plasmática (o celular), una vesículas denominadas microsomas), la glucosa fosfatasa se Figura 7.2 Función de las membranas. Las membranas 1 definen los límites de la 1 Barrera de Na+ célula y de sus orgánulos, 2 sirven como permeabilidad sitio donde se localizan proteínas y límite específicas, especialmente enzimas y receptores, 3 proporcionan y regulan procesos de transporte, 4 contienen los 2 Organización receptores necesarios para detectar señales y localización de la función externas y 5 proporcionan mecanismos de contacto, comunicación y adhesión intercelular. Núcleo Na+ K+ 3 Procesos 5 Comunicación de transporte intercelular Nutrientes 4 Detección de señales 170 Capítulo 7 Membranas: estructura, química y función puede utilizar como enzima marcadora, que le permite al en el retículo endoplasmático o en el citosol se pueden im- investigador determinar la distribución de los microsomas portar por orgánulos específicos rodeados por membrana entre las diferentes fracciones. Las enzimas marcadoras de como lisosomas, peroxisomas o mitocondrias. Trataremos otros orgánulos se utilizan para evaluar la pureza de la pre- cada uno de estos procesos en capítulos posteriores. paración final de microsomas, es decir, el grado al que está libre de contaminación por estos otros marcadores. 4 Las proteínas de membrana detectan y transmiten señales eléctricas y químicas 3 Las proteínas de membrana regulan el transporte de solutos Normalmente, las células reciben información de su en- torno en forma de señales eléctricas o químicas que afec- Otra función de las proteínas de membrana es realizar y tan a la superficie externa de la célula. Los impulsos ner- regular el transporte de sustancias hacia dentro y hacia viosos enviados desde sus ojos a su cerebro a medida que fuera de la célula y de sus orgánulos. Nutrientes, iones, ga- lee estas palabras son ejemplos de tales señales, como lo ses, agua y otras sustancias se captan en diversos comparti- son las diferentes hormonas presentes en su sistema circu- mentos y varios productos y desechos se retiran. latorio. El término utilizado para describir tanto la detec- Como veremos en el Capítulo 8, las modalidades de ción de señales específicas en la superficie externa de las transporte de las distintas sustancias difieren. Muchas sus- células como los mecanismos específicos usados para tancias se mueven a través de la membrana en la dirección transmitir tales señales al interior celular es la transduc- dictada por su gradiente de concentración. Por otro lado, el ción de señales. movimiento de un ion está determinado por su potencial En el caso de la transducción de señales químicas, algu- electroquímico, que es la suma de su gradiente de concen- nas moléculas señal entran directamente en las células y tración y el gradiente de carga a través de la membrana. Este actúan en su interior. Los estrógenos son un ejemplo. los proceso, que no requiere energía porque el movimiento es a estrógenos son esteroides (véase Figura 3.30a), no son po- favor del gradiente, ocurre de dos formas diferentes. Algu- lares y además pueden atravesar la membrana fácilmente. nas moléculas como agua, oxígeno y etanol pueden atrave- El resultado es que los estrógenos entran en sus células dia- sar las membranas por difusión simple. Las moléculas más na e interactúan con proteínas reguladoras del interior de grandes tales como azúcares y aminoácidos se mueven a la célula. Sin embargo, en la mayoría de los casos, las molé- través de la membrana ayudadas por proteínas de transpor- culas señalizadoras, que afectan a una membrana, no en- te específicas, un proceso denominado difusión facilitada. tran en la célula, en vez de eso se unen a proteínas específi- De manera alternativa, una sustancia se puede trans- cas de la superficie externa de la membrana plasmática, portar en contra de su gradiente de concentración si no está denominadas receptores. La unión de estas sustancias de- cargada o en contra de su potencial electroquímico, en el nominadas ligandos, se continúa en la superficie interna de caso de un ion. Éste es un proceso denominado transporte la membrana, con acontecimientos químicos específicos activo que requiere energía. Solutos tales como azúcares y generando de ese modo señales internas denominadas se- aminoácidos están a menudo presentes en bajas concen- gundos mensajeros. Por eso, los receptores de membrana traciones fuera de la célula y se transportan hacia el inte- permiten a las células reconocer, transmitir y responder a rior en contra de sus respectivos gradientes de concentra- una gran variedad de señales químicas específicas, un tema ción y electroquímico. La energía necesaria para guiar este que exploraremos en el Capítulo 14. transporte en contra de gradiente viene proporcionada por la hidrólisis de ATP o de un compuesto similar de alta 5 Las proteínas de membrana median en la adhesión energía, y el proceso se denomina transporte activo directo. celular y la comunicación célula-célula De manera alternativa, la energía puede ser proporcionada acoplando el transporte en contra de gradiente del soluto Las proteínas de membrana también median en la adhe- al transporte a favor de gradiente de los iones de sodio o de sión y la comunicación entre células adyacentes. Aunque protones a través de la misma membrana, un proceso de- con frecuencia, los libros de texto representan a las células nominado transporte activo indirecto. La fuerza impulsora como entidades aisladas, separadas, la mayoría de las célu- para el movimiento «favorable» de los iones de sodio o de las de los organismos multicelulares están en contacto con los protones es su potencial electroquímico, que depende otras células, a través de conexiones citoplasmáticas direc- del gradiente de carga y del gradiente de concentración del tas, que permiten, al menos, el intercambio de algún com- ion a través de la membrana. ponente celular. Esta comunicación intercelular viene Incluso se pueden transportar a través de membranas proporcionada por las uniones gap en las células animales y moléculas tan grandes como las proteínas. En algunos ca- por los plasmodesmos de las células vegetales. sos, vesículas intracelulares facilitan el movimiento de tales Todas las funciones que acabamos de considerar moléculas hacia la célula (endocitosis) o hacia fuera de la —compartimentalización, localización de función, trans- célula (exocitosis). En otros casos, las proteínas sintetizadas porte, detección de señales y comunicación intercelular— Las funciones de las membranas 171 dependen de la composición química y de las característi- 1880 cas estructurales de las membranas. Volveremos a estos te- Po Ap la mas cuando consideremos cómo se ha elaborado el cono- ola r (a) Naturaleza r cimiento actual de la estructura de la membrana. lipídica de membrana Overton Modelos de la estructura de la membrana: una perspectiva 1900 experimental (b) Monocapa lipídica Langmuir Hasta que no se aplicó la microscopía electrónica para el estudio de la estructura celular, a principios de la década de 1950, nadie había visto nunca una membrana. Hasta ese momento, las evidencias indirectas habían conducido a los biólogos a postular la existencia de membranas mucho an- (c) Bicapa 1920 tes de que se hubieran podido ver en realidad. De hecho, lipídica los investigadores habían tratado de entender, durante más Gorter y de un siglo, la organización molecular de las membranas. Grendel Las células contienen muchos tipos de membranas dife- rentes, por esta razón, ha supuesto un gran esfuerzo en- contrar las características estructurales comunes a todas (d) Bicapa lípi Davson y cpn lámina Danielli ellas. Sin embargo, valió la pena el intenso esfuerzo realiza- proteicas 1940 do en investigación ya que condujo al modelo de la estruc- tura de membrana del mosaico fluido. Este modelo, del que ahora se piensa que sirve para describir a todas las mem- branas biológicas, imagina a la membrana como dos capas de lípidos bastante fluidas, con proteínas localizadas den- (e) Unidad de tro y sobre las capas lipídicas y orientadas de forma especí- membrana fica con respecto a las dos superficies de membrana. Pro- Robertson 1960 bablemente en el futuro, el modelo del mosaico fluido se redefinirá ya que las capas de lípidos se están convirtiendo en algo mucho más complejo de lo que inicialmente se (f) Modelo de mosaico pensó. Sin embargo, el modelo básico tal y como se imagi- fluido na hoy en día es, casi con certeza, correcto. Singer y Antes de mirar el modelo en detalle, describiremos al- Nicolson guno de los experimentos principales que han conducido Unwin y hasta esta visión de la función y de la estructura de la Henderson 1980 membrana. A medida que lo hacemos, puede profundizar sobre cómo se han realizado esos descubrimientos, así (g) Estructura como conocer todos los aspectos de la diversidad de enfo- proteínas d ques y técnicas que son necesarios para el avance del en- membrana tendimiento de un fenómeno biológico. La Figura 7.3 Hélice muestra la cronología de los estudios sobre la estructura de alfa la membrana, que comenzó aproximadamente hace un si- 2000 glo con el entendimiento de que las capas de lípidos for- Figura 7.3 Cronograma del desarrollo del modelo de mosaico fluido. man parte de la estructura de la membrana y finalmente El modelo de mosaico fluido de estructura de membrana propuesto nos llevan al conocimiento actual en el que se considera a por Singer y Nicholson en 1972 fue la culminación de unos las membranas como mosaicos fluidos. Consulte la Figura estudios que se remontan a 1890 y que habían sido redefinidos de manera muy significativa por estudios posteriores. 7.3 cuando lea la siguiente sección. bajando con células de raíces aéreas de plantas, observó Overton y Langmuir: los lípidos son componentes que las sustancias solubles en lípidos penetran fácilmente importantes de la membrana en las células, mientras que las solubles en agua, no. En rea- Un buen punto de partida para esta revisión experimental lidad él encontró una buena correlación entre la naturale- es el trabajo pionero de Charles Overton hacia 1890. Tra- za lipofílica de una sustancia («amante de lípidos») y la 172 Capítulo 7 Membranas: estructura, química y función facilidad con la que puede entrar en las células. De estos es- cálculos y descubrir la fuente de sus errores, véase Proble- tudios Overton concluyó que los lípidos presentes en la su- ma 7.3 al final del capítulo. perficie celular son una especie de «cubierta» (Figura Hipotetizando la existencia de una estructura de bica- 7.3a). Él incluso sugirió que las cubiertas celulares son pro- pa, Gorter y Grendel razonaron que sería favorable termo- bablemente una mezcla de colesterol y lecitina, lo que se dinámicamente que las cadenas hidrocarbonadas no pola- comprobó que era claramente previsible en base a lo que res estuvieran hacia el interior, fuera del medio acuoso que ahora conocemos sobre la importancia de los esteroles y aparece a ambos lados de la membrana. Los grupos polares fosfolípidos como componentes de la membrana. hidrofílicos de cada capa estarían dirigidos hacia el exte- Un segundo e importante avance vino una década des- rior, hacia el entorno acuoso que existe a cada lado de la pués mediante el trabajo de Irving Langmuir, que estudió membrana (Figura 7.3c). Sus experimentos y conclusiones el comportamiento de fosfolípidos purificados disueltos fueron temporales ya que este trabajo representó el primer en benceno y produjo capas de esa solución de benceno y intento para entender las membranas desde el punto de lípidos sobre una superficie acuosa. Cuando el benceno se vista molecular. Más aún, la bicapa lipídica que ellos ima- evapora, las moléculas permanecen como una lámina de ginaron llegó a ser la base de cada ajuste sucesivo en el en- lípidos de una molécula de ancho —que se denomina tendimiento de la estructura de la membrana. «monocapa»—. Langmuir sabía que los fosfolípidos son moléculas anfipáticas que poseen tanto regiones hidrofíli- Davson y Danielli: las membranas también contienen cas como hidrofóbicas (véase Figura 2.11 para ilustrar los proteínas grupos de las cabezas polares y las «colas» no polares de las moléculas de fosfolípidos). Él razonó, que los fosfolípidos Poco después de que Gorter y Grendel propusieran el mo- se orientan sobre el agua de forma que sus cabezas hidrofí- delo de bicapa en 1925, quedó claro que una característica licas están en contacto con el agua y que sus colas hidrofó- importante de la estructura de la membrana era que se tra- bicas sobresalen del agua (Figura 7.3b). La monocapa lipí- taba de una bicapa lipídica simple, sin embargo este hecho, dica de Langmuir fue la base que permitió nuevos estudios no podía explicar todas las propiedades de la estructura de sobre la estructura de la membrana en los primeros años la membrana, particularmente todas aquéllas relacionadas del siglo XX. con la tensión superficial, permeabilidad a los solutos y resis- tencia eléctrica. Por ejemplo, la tensión superficial de una película lipídica fue significativamente mayor que la de las Gorter y Grendel: la base de la estructura membranas celulares pero ésta se podía bajar añadiendo de la membrana es una bicapa lipídica proteínas a la película lipídica. Más aún, azúcares, iones y El siguiente avance importante se produjo en 1925 cuando otros solutos hidrofílicos se movían hacia dentro y hacia dos fisiólogos holandeses E. Gorter y F. Grendel leyeron los fuera de las células mucho más fácilmente de lo que se po- trabajos de Langmuir y pensaron que este enfoque podría día explicar por la permeabilidad a las sustancias solubles ayudar a contestar una cuestión referente a la membrana en agua de las bicapas lipídicas puras. de los glóbulos rojos, o eritrocitos, con los que ellos traba- Para explicar estas diferencias, Hugh Davson y James jaban. Los trabajos iniciales de Overton habían mostrado Danielli imaginaron la presencia de proteínas en las mem- la presencia de una cubierta lipídica en la membrana celu- branas proponiendo en 1935 que las membranas biológi- lar. ¿Pero cuántas capas lipídicas están presentes en la cu- cas consisten en una bicapa lipídica que están recubiertas bierta? Para contestar a esta pregunta Gorter y F. Grendel en ambos lados con finas láminas de proteínas (Figura extrajeron los lípidos de un número conocido de eritroci- 7.3d). De manera que el modelo original de Davson y Da- tos y usaron el método de Langmuir para expandir los lípi- nielli era en esencia el «modelo sándwich» de proteína-lí- dos en una superficie acuosa. Encontraron que el área de la pido-proteína. Su modelo fue la primera representación superficie de los lípidos sobre el agua era aproximadamen- detallada de la organización de la membrana, que imperó te dos veces el área de las membranas de los eritrocitos, por en el pensamiento de los biólogos celulares en las décadas lo que concluyeron que la membrana plasmática de los eri- siguientes. trocitos no consiste en una, sino en dos capas de lípidos. El modelo original fue modificado posteriormente (Como se descubrió después, Grendel y Gorter cometieron para acomodar los descubrimientos posteriores. Particu- dos errores, subestimaron un tercio del área superficial de larmente notable fue la sugerencia, hecha en 1954, de que los glóbulos rojos y un tercio de la cantidad de lípidos pre- las proteínas hidrofílicas podían atravesar la membrana y sentes en su membrana plasmática. Más aún, no tuvieron formarían poros polares en lo que anteriormente era una en cuenta la porción significativa que ocupan las proteínas bicapa hidrofóbica. Esas proteínas podían cambiar la per- en la membrana de los glóbulos rojos. Sin embargo, afor- meabilidad y las propiedades de resistividad de la mem- tunadamente esos errores se abolieron uno con otro, por brana, que no podían ser explicadas fácilmente en térmi- ello la conclusión de Gorter y Grendel fue correcta aunque nos de la existencia de una bicapa lipídica solamente. sus datos no. Para tener una oportunidad de repetir sus Específicamente, el interior lipídico responsable de las pro- Modelos de la estructura de la membrana: una perspectiva experimental 173 piedades hidrofóbicas de la membrana y los componentes tinción trilaminar, o de tres capas, se observase en distintas proteicos explican sus propiedades hidrofílicas. clases de membranas condujo a J. David Robertson a suge- La importancia real del modelo de Davson-Danielli, sin rir que todas las membranas celulares compartían una es- embargo, fue el reconocimiento de la importancia de la tructura subyacente común, que denominó la unidad de presencia de proteínas en la estructura de la membrana. membrana (Figura 7.3e). Esta característica, más que cualquier otra, hizo que el mo- Cuando se propuso por primera vez, la estructura de la delo de sándwich de Davson-Danielli fuera la base para la unidad de membrana parecía coincidir extraordinaria- mayoría de la investigación posterior sobre la estructura de mente bien con el modelo de Davson y Danielli. Robert- la membrana. son sugirió que el espacio ligeramente teñido (entre las dos líneas oscuras del patrón trilaminar) contenía la re- gión hidrofóbica de las moléculas lipídicas, que no se te- Robertson: todas las membranas comparten una ñían con facilidad. Por el contrario, se pensó que las dos estructura subyacente común líneas oscuras, representaban los grupos de las cabezas de Todos los modelos de membrana tratados hasta el mo- los fosfolípidos y que las finas capas de proteínas unidas a mento se desarrollaron mucho antes de que nadie hubiera la superficie de la membrana, aparecían oscuras debido a visto una membrana biológica y cada uno de ellos se pen- su afinidad por la tinción con metales pesados. Esta inter- só específicamente como un modelo de membrana plas- pretación parecía proporcionar un apoyo sólido al mode- mática. Con la llegada de la microscopía electrónica en la lo de Davson y Danielli que proponía que una membrana década de 1950, los biólogos celulares pudieron finalmen- consiste en una bicapa lipídica recubierta por ambas su- te verificar la presencia de una membrana plasmática alre- perficies con finas láminas de proteínas. dedor de cada célula. Además, observaron que la mayoría de los orgánulos subcelulares estaban limitados por mem- Una investigación más detallada reveló los principales branas similares. Además, cuando las membranas se ti- defectos del modelo de Davson y Danielli ñeron con osmio, un metal pesado, y se examinaron con detalle a gran aumento, se observó que había regiones ex- El modelo de Davson-Danielli, a pesar de su aparente con- tensas con aspecto de «vía férrea» que aparecían como dos firmación por microscopía electrónica y su extensión a to- líneas oscuras separadas por una zona central teñida te- das las membranas por Robertson, se empezó a cuestionar, nuemente, con un espesor total de 6-8 nm. Este patrón se a medida que en la década de 1960 iban surgiendo más da- observa en la membrana plasmática de dos células adya- tos que no cuadraban con el modelo. Considere, por ejem- centes separadas una de otra por un espacio intercelular plo, el problema de las dimensiones de la membrana: si nos fino (Figura 7.4). El hecho de que este mismo patrón de basamos en la microscopía electrónica, se ha descrito que la mayoría de las membranas tendrían entre 6 y 8 nm de Espacio espesor y de éstos, 4-5 nm corresponderían a la bicapa lipí- intercelular dica. Quedan alrededor de 1-2 nm de espacio en cada su- Célula 1 Célula 2 perficie de la bicapa para las proteínas de membrana, un espacio que podría acomodarse en el mejor de los casos a una fina monocapa de proteínas formada principalmente por regiones extensas con estructura en lámina
. A medi- da que las proteínas de membrana se fueron aislando y es- tudiando, se hizo evidente que la mayoría de ellas eran pro- teínas globulares con extensas regiones con estructura en -hélice. Tales proteínas tienen tamaños y formas inconsis- tentes con el concepto de finas láminas proteicas sobre las dos superficies de la membrana, sugiriendo que deben so- bresalir hacia el interior de la membrana. Una complicación adicional es que el modelo de Dav- son-Danielli no se ajusta fácilmente a las características distintivas de las diferentes clases de membranas. Depen- diendo de su origen, las membranas varían considerable- Figura 7.4 Aspecto trilaminar de las membranas celulares. Ésta es mente en su composición química y especialmente en la una micrografía electrónica de una sección fina entre dos células proporción de proteínas y lípidos (Tabla 7.1). La relación adyacentes que muestra sus membranas plasmáticas separadas por proteína/lípido puede ser tan elevada como 3 o más en al- un espacio intercelular pequeño. Cada membrana aparece como dos líneas oscuras separadas por una zona central teñida gunas células bacterianas y tan bajo como 0,23 para la vai- ligeramente, un patrón de tinción que le da a la membrana un na de mielina que sirve de aislante eléctrico membranoso aspecto trilaminar o de «vía de ferrocarril» (MET). para los axones nerviosos. Incluso las dos membranas de 174 Capítulo 7 Membranas: estructura, química y función  Tabla 7.1 Contenido en lípidos, proteínas y carbohidratos de las membranas biológicas Porcentaje aproximado en peso Membrana Proteína Lípido Carbohidratos Índice proteína/lípido Membrana plasmática Eritrocito humano 49 43 8 1,14 Célula hepática de mamífero 54 36 10 1,50 Ameba 54 42 4 1,29 Vaina de mielina del axón nervioso 18 79 3 0,23 Envoltura nuclear 66 32 2 2,06 Retículo endoplasmático 63 27 10 2,33 Aparato de Golgi 64 26 10 2,46 Tilacoides del cloroplasto 70 30 0 2,33 Membrana mitocondrial externa 55 45 0 1,22 Membrana mitocondrial interna 78 22 0 3,54 Bacterias Gram-positivas 75 25 0 3,00 las mitocondrias difieren de manera significativa: la pro- menos en parte, en el interior hidrofóbico de la membrana porción proteína/lípido es de alrededor de 1,2 para la más que en cualquiera de sus superficies. membrana externa y de cerca de 3,5 para la membrana in- El modelo de Davson-Danielli fue posteriormente des- terna, que contiene todas las enzimas y proteínas relacio- acreditado por la evidencia experimental, se tratará más nadas con el transporte de electrones y la síntesis de ATP. tarde, indicando que las membranas son estructuras flui- Sin embargo, todas estas membranas parecen la misma das en las que la mayoría de los lípidos y muchas de las cuando se visualizan al microscopio electrónico con la téc- proteínas se mueven libremente en el plano de la membra- nica de tinción con osmio de Robertson y colaboradores. A na. La movilidad de lípidos y proteínas no se ajusta fácil- medida que se estudiaban más membranas se hacía cada mente a un modelo que imagina láminas de proteínas su- vez más difícil conciliar la enorme variación existente en el perficiales unidas por puentes iónicos a la bicapa lipídica contenido de proteína con el modelo de unidad de mem- subyacente. brana, ya que la anchura y apariencia de los «raíles» sim- plemente no variaba en la misma proporción. Singer y Nicholson: una membrana consiste en un El modelo de Davson-Danielli también se puso en mosaico de proteínas dentro de una bicapa lipídica fluida cuestión por estudios en los que las membranas se expo- nían a fosfolipasas, enzimas que degradan los fosfolípidos Los problemas previos que surgieron con el modelo de retirando los grupos de las cabezas. De acuerdo con este Davson-Danielli estimularon el interés para desarrollar modelo, los grupos hidrofílicos de las cabezas de los lípidos nuevas ideas respecto a la organización de las membranas, de las membranas deberían estar cubiertos por una capa de culminando en 1972 con el modelo de mosaico fluido proteínas y por tanto protegidos de la digestión por las fos- propuesto por S. Jonathan Singer y Garth Nicolson. Este folipasas. Incluso una proporción significativa (por enci- modelo, que ahora domina nuestra visión de la organiza- ma del 75% dependiendo del tipo celular) de los fosfolípi- ción de la membrana, tiene dos características principales, dos de la membrana de las células se degrada cuando la las dos aparecen en el nombre. Dicho simplemente, el mo- membrana se expone a las fosfolipasas. Esta susceptibili- delo imagina una membrana como un mosaico de proteí- dad a la digestión enzimática sugirió que muchos de los nas incluidas, o por lo menos unidas, de forma discontinua grupos de las cabezas de los fosfolípidos estarían expuestos a una bicapa lipídica fluida (Figura 7.3f). En otras pala- en la membrana, en vez de estar cubiertos por una capa de bras, el modelo de Singer-Nicholson mantuvo la estructu- proteína. Además, la localización superficial de las proteí- ra de bicapa lipídica básica de modelos previos, pero veía a nas de membrana especificada por el modelo de Davson- las proteínas de la membrana de una forma completamen- Danielli no estaba basada en los experimentos de los cien- te diferente, no como capas finas de proteínas sobre la su- tíficos que intentaron aislar esas proteínas. La mayoría de perficie de la membrana, sino como entidades globulares las proteínas de membrana resultaron ser bastante insolu- discretas que se asocian a la membrana basándose en su bles en agua y sólo podían extraerse con el uso de solventes afinidad relativa por el interior hidrofóbico de la bicapa li- orgánicos o detergentes. Estas observaciones indicaban pídica (Figura 7.5a). que muchas proteínas de membrana son hidrofóbicas (o Singer y Nicholson fueron unos revolucionarios cuan- por lo menos anfipáticas) y sugería que se localizaban, al do propusieron por primera vez esta forma de pensar en Modelos de la estructura de la membrana: una perspectiva experimental 175  Cadenas de carbohidratos Bicapa fosfolipídica Proteína de Glicoproteínas membrana anclada a lípidos Región hidrofóbica Membrana Región plásmica hidrofílica Cadenas de Proteína Proteína carbohidratos integral de periférica de membrana membrana NH3+ SUPERFICIE EXTERNA DE LA MEMBRANA Bicapa de (a) Modelo de mosaico fluido fosfolípidos de la estructura de la (7–8 nm) membrana O SUPERFICIE Fosfolípido INTERNA DE LA − C O MEMBRANA Polipéptido Segmentos (cadena de transmembrana NH3+ aminoácidos) en α-hélice Cadena de (b) Proteína integral de membrana (c) Un segmento transmembrana carbohidratos (20-30 aminoácidos) en -hélice, (de la ampliado glicoproteína) Figura 7.5 El modelo de mosaico fluido de estructura de la membrana. (a) Singer y Nicolson imaginaron la membrana como una bicapa de lípidos fluida con un mosaico de proteínas asociadas o bien integrales o bien periféricas. Las proteínas integrales de membrana están ancladas al interior hidrofóbico de la membrana por uno o más segmentos hidrofóbicos transmembrana que normalmente tienen conformación en -hélice (púrpura claro). Los segmentos hidrofílicos (púrpura oscuro) se extienden hacia el exterior, hacia uno o ambos lados de la membrana. Las proteínas periféricas de membrana se asocian con la superficie de la membrana por fuerzas electrostáticas débiles que las unen a regiones hidrofílicas de otras proteínas integrales de membrana adyacentes o a grupos polares de las cabezas de los fosfolípidos. (b) Una proteína integral de membrana con múltiples segmentos transmembrana en -hélice como se reveló en los trabajos posteriores de Unwin y Henderson. Muchas proteínas integrales de la membrana plasmática tienen orientadas hacia la superficie externa de la membrana, cadenas laterales de carbohidratos unidas a sus segmentos hidrofílicos. (c) Un segmento transmembrana en -hélice con aminoácidos representados por círculos dentro de la hélice. las proteínas de la membrana, pero resultó que todos los por el interior hidrofóbico de la bicapa lipídica. Por otro datos cuadraban bastante bien. Basándose en el diferente lado, proteínas periféricas, que son mucho más hidrofílicas anclaje a la bicapa, se reconocen tres clases de proteínas de y por tanto están localizadas en la superficie de la mem- membrana. Las proteínas integrales de membrana están em- brana, donde están ancladas de forma no covalente a los bebidas en la bicapa lipídica y se mantienen en su sitio por grupos polares de las cabezas de los fosfolípidos y/o a las la afinidad de los segmentos hidrofóbicos de la proteína partes hidrofílicas de otras proteínas de membrana. Pro- 176 Capítulo 7 Membranas: estructura, química y función teínas ancladas a lípidos, aunque no son parte del modelo mente de la luz del sol. Para captar esta energía solar, la de mosaico fluido original, ahora se reconoce, como una bacteriorodopsina tiene, como parte de su estructura, una tercera clase de proteínas de membrana. Estas proteínas molécula de retinal, la misma molécula con capacidad para son esencialmente hidrofílicas y por esto residen en la su- absorber luz, que utiliza el ojo humano para detectar la luz. perficie de la membrana, pero están unidas covalentemen- Además de absorber la energía luminosa, el retinal provo- te a moléculas de lípido que están incluidas en la bicapa. ca un cambio conformacional en la bacteriorodopsina que La naturaleza fluida de la membrana es la segunda ca- causa que la proteína bombee protones fuera de la célula. racterística crítica del modelo de Singer-Nicholson. La ma- El gradiente de protones resultante a través de la membra- yoría de los componentes lipídicos de una membrana es- na puede ser utilizado como fuente de energía. tán en constante movimiento, son capaces de tener Nigel Unwin y Richard Henderson utilizaron la mi- movilidad lateral (es decir, movimiento paralelo a la super- croscopía electrónica para determinar la estructura tridi- ficie de la membrana) más que de estar bloqueados rígida- mensional de la bacteriorodopsina y su orientación en la mente en su sitio. Muchas proteínas de la membrana son membrana. Su extraordinario descubrimiento, publicado también capaces de moverse lateralmente dentro de la en 1975, fue que la bacteriorodopsina constaba de una membrana, aunque algunas están ancladas a elementos es- única cadena peptídica que se pliega una y otra vez a través tructurales de uno u otro lado de la membrana y por esto de la bicapa lipídica hasta un total de siete veces. Cada uno tienen una movilidad restringida. de los siete segmentos transmembrana de la proteína es La fuerza del modelo de mosaico fluido está en que una -hélice empaquetada estrechamente y compuesta proporciona una explicación fácil para la mayoría de las principalmente por aminoácidos hidrofóbicos. Los seg- críticas realizadas al modelo de Davson-Danielli. Por ejem- mentos transmembrana sucesivos están anclados uno a plo, el concepto de proteínas parcialmente embebidas en la otro por pequeños bucles de aminoácidos hidrofílicos que bicapa lipídica concuerda con la naturaleza hidrofóbica y se extienden y sobresalen desde las superficies polares de la la estructura globular de la mayoría de las proteínas de la membrana. (Para ver en detalle la estructura tridimensio- membrana y elimina la necesidad de acomodar las proteí- nal de la bacteriorodopsina, consulte la Figura 8.14 del ca- nas de membrana en finas capas superficiales de espesor pítulo siguiente.) Basándose en los trabajos posteriores invariable. Además, la variabilidad de la proporción de realizados por muchos laboratorios, los biólogos de la proteínas/lípidos de membranas diferentes, simplemente membrana ahora creen que todas las proteínas transmem- significa que algunas membranas tienen relativamente po- brana están ancladas a la bicapa lipídica por uno o más cas proteínas embebidas en la bicapa lipídica, mientras que segmentos transmembrana, un tema al que volveremos otras membranas tienen más proteínas de este tipo. La ex- más tarde en este capítulo. posición de las cabezas de los lípidos en la superficie de la membrana es obviamente compatible con su susceptibili- Descubrimientos recientes mejoran nuestros dad a la digestión por las fosfolipasas, mientras que la flui- conocimientos sobre la estructura de la membrana dez de las capas lipídicas y la mezcla de lípidos y proteínas dentro de la membrana hace más fácil imaginar la movili- Casi desde el momento en que Singer y Nicolson lo propu- dad tanto de lípidos como de proteínas. sieron, el modelo del mosaico fluido revolucionó la mane- ra en la que los científicos pensaban acerca de la estructura de las membranas. El modelo lanzaba una nueva era en la Unwin y Henderson: la mayoría de las proteínas investigación de la membrana que no sólo ha confirmado de membrana contienen segmentos transmembrana el modelo básico, sino que lo ha aumentado y extendido. La ilustración final en el cronograma (Figura 7.3g) repre- Además, nuestros conocimientos sobre la estructura de la senta una propiedad importante de las proteínas integrales membrana continúan expandiéndose a medida que nue- de membrana que los biólogos celulares empezaron a en- vos descubrimientos científicos mejoran y modifican el tender en la década de 1970: la mayoría de las proteínas tie- modelo básico. nen en su estructura primaria una o más secuencias hidro- Descubrimientos recientes enfatizan el concepto de que fóbicas que abarcan la bicapa lipídica (Figura 7.5b y c). las membranas no son estructuras homogéneas en las que Estos segmentos transmembrana anclan las proteínas a la sus componentes se mezclan de forma libre, sino que tanto membrana y las sostienen alineadas correctamente dentro los lípidos como las proteínas tienden a ordenarse, estando de la bicapa lipídica. sus movimientos con frecuencia restringidos por mecanis- El ejemplo de la Figura 7.3g es de la bacteriorodopsina, mos difíciles de evidenciar a partir de la estructura básica primera proteína de membrana que se demostró que po- mostrada en la Figura 7.5. De hecho, la mayoría de los pro- seía esta característica estructural. La bacteriorodopsina es cesos celulares que implican a las membranas, dependen de una proteína de la membrana plasmática encontrada en los complejos estructurales específicos de lípidos y proteí- una arqueobacteria del género Halobacterium, donde su nas La señalización celular, un tema del que trataremos en presencia le permite a las células obtener energía directa- el Capítulo 14, es un ejemplo de este tipo de procesos. Modelos de la estructura de la membrana: una perspectiva experimental 177  Hasta ahora, para entender los procesos asociados a las nas varían significativamente dependiendo del origen de membranas, hemos necesitado algo más que el modelo éstas (Figura 7.7). Por ejemplo, la esfingomielina es uno de original de mosaico fluido, con lípidos y proteínas flotan- los principales fosfolípidos de las membranas plasmáticas do alrededor simplemente al azar. No obstante, el modelo animales, pero está ausente en las membranas plasmáticas de mosaico fluido es básico para entender la estructura de de plantas y bacterias y también de las membranas internas la membrana, de manera que es importante para nosotros de mitocondrias y cloroplastos. examinar en detalle sus características esenciales. Estas ca- racterísticas incluyen, la química, la distribución asimétri- Glicolípidos. Como su nombre indica, los glicolípidos se ca y la fluidez de los lípidos de membrana, las relaciones de forman al añadir a los lípidos grupos carbohidrato. Algu- las proteínas de membrana con la bicapa y la movilidad de nos glicolípidos tienen como base glicerol, pero la mayoría las proteínas en la bicapa. Comentaremos cada una de es- derivan de la esfingosina y, por tanto, se llaman glicoesfin- tas características por orden, centrándonos en las eviden- golípidos. Los ejemplos más comunes son los cerebrósidos cias que lo apoyan y en las implicaciones de cada caracte- y los gangliósidos. Los cerebrósidos se denominan glicolí- rística en la función de la membrana. pidos neutros ya que cada molécula tiene un azúcar no car- gado como grupo principal —galactosa—, en el caso del galactocerebrósido que se muestra en la Figura 7.6b. Por Los lípidos de membrana: la parte otro lado, un gangliósido, siempre tiene un grupo princi- «fluida» del modelo pal oligosacárido que contiene uno o más residuos de áci- do siálico cargados negativamente, que le proporcionan a Empezaremos el estudio detallado de las membranas con- la molécula carga neta negativa. Los cerebrósidos y los gan- siderando los lípidos, que son componentes importantes gliósidos predominan especialmente en las membranas ce- de la parte «fluida» del modelo de mosaico fluido. rebrales y en las células nerviosas. Los gangliósidos expues- tos en la superficie de la membrana plasmática también funcionan como antígenos que son reconocidos por anti- Las membranas contienen varias de las principales clases cuerpos en las reacciones inmunes, incluyendo las reaccio- de lípidos nes responsables de las interacciones entre grupos sanguí- Una propiedad evidente del modelo de Singer y Nicholson neos. Por ejemplo, los grupos sanguíneos humanos ABO, es que mantiene la bicapa lipídica propuesta inicialmente implican a los glicoesfingolípidos que sirven como marca- por Gorter y Grendel, aunque con una mayor diversidad y dores de la superficie celular de los glóbulos rojos. fluidez de los componentes lipídicos de la que los investi- Algunas de las enfermedades humanas más graves se gadores anteriores reconocieron. Las principales clases de producen como consecuencia de daños en el metabolismo lípidos de membrana son las siguientes: fosfolípidos, glicolí- de los glicoesfingolípidos. El ejemplo mejor conocido es la pidos y esteroles. La Figura 7.6 hace un listado de los princi- enfermedad de Tay-Sachs, que se origina por la ausencia de pales lípidos de cada una de estas categorías y representa la una enzima lisosomal, la
-N-acetilhexosaminidasa A, res- estructura de algunos de ellos. ponsable de uno de los pasos de la degradación de los gan- gliósidos. Como resultado del defecto genético, los gan- Fosfolípidos. Como ya sabemos desde el Capítulo 3, los lí- gliósidos se acumulan en el cerebro y en otros tejidos pidos que se encuentran en mayor abundancia en las nerviosos, dañando los nervios y afectando a la función ce- membranas son los fosfolípidos (Figura 7.6a). Las mem- rebral, provocando finalmente parálisis, deterioro mental branas contienen muchas clases de fosfolípidos distintos, severo y muerte. incluyendo tanto a fosfoglicéridos basados en glicerol como a los esfingolípidos basados en esfingosina. Los fos- Esteroles. Además de fosfolípidos y glicolípidos, las mem- foglicéridos más comunes son fosfatidilcolina, fosfatidileta- branas de la mayoría de las células eucariotas también con- nolamina, fosfatidilserina y fosfatidilinositol. El esfingolípi- tienen cantidades significativas de esteroles (Figura 7.6c). do más común es la esfingomielina, su estructura se El principal esterol de las membranas celulares animales es muestra en la Figura 7.6a. Las clases, orígenes y proporcio- el colesterol, mientras que las membranas de las células nes relativas de los fosfolípidos presentes en las membra- vegetales contienen pequeñas cantidades de colesterol y Figura 7.6 (Página opuesta) Tres clases principales de lípidos de membrana. Cada clase de lípido es ilustrado mediante un diagrama esquemático (en la izquierda), su estructura química (en el medio) y mediante modelos de ocupación espacial (en la derecha). (a) Los fosfolípidos consisten en una cabeza con un grupo polar pequeño (del tipo colina, etanolamina, serina o inositol) unido a un esqueleto lipídico, formando fosfoglicéridos (basados en glicerol) o esfingolípidos (basados en esfingosina). Para conocer la estructura de colina, etanolamina, serina e inositol, véase Figura 3.29 en la p. 69). (b) Los glicolípidos están también basados en glicerol o en esfingosina, estos últimos son los más habituales. Un cerebrósido tiene un azúcar neutro, como grupo principal, mientras que un gangliósido tiene una cadena de oligosacárido que contiene uno o más residuos de ácido siálico y además tiene carga negativa. (c) Los esteroles más comunes de la membrana son el colesterol en animales y varios fitoesteroles en las plantas. 178 Capítulo 7 Membranas: estructura, química y función  Diagrama esquemático Estructura química Reconstrucción espacial (a) FOSFOLÍPIDOS H3 Colina Fosfatidilcolina (en la imagen) H3 2 Fosfatidiletanolamina O P O– Fosfatidilserina Fosfato O Fosfatidiltreonina HCH Fosfatidilinositol H C C H Fosfatidilglicerol Glicerol O O O C C O Difosfatidilglicerol (cardiolipina) H2C H2 CH2 CH2 H2C H2 CH2 CH2 Ácido graso H2 y graso H2C CH2 CH2 H2C H2 CH2 CH2 H2C H2 Ácido 2 H2C H2 CH2 H2C 2 CH2 CH2 H3C H3 Colina H3C + 3 N CH2 O Esfingomielina (un esfingolípido) H3C H2C O P O– + Fosfato O – CH2 OH C H NH H Esfingosina O C H2 CH2 H2 H2 2 H2 Ácido graso CH2 H2 H2 H2 2 H2 CH2 CH3 H2 H2 H3 (b) GLICOLÍPIDOS H OH H OH CH2OH rebrósidos Galactosa HO H O r rósido, en la imagen) H Gangliósidos O HCH OH Esfingosina NH H CH O H2 CH2 CH2 H2 2 Ácido graso CH2 H2 H2 2 H2 CH2 H2 2 CH2 H2 H2 H2 H2 CH3 2 H2 H2 CH2 H3 (c) ESTEROLES OH Colesterol (en la imagen) Campesterol Sitosterol Fitoesteroles CH3 Estigmasterol CH3 H 2 C CH3 3 CH3 H2 H Los lípidos de membranas: la parte «fluida» del modelo 179  Membrana Membrana Membrana Mielina Tilacoide del Mitocondrial plasmática plasmática plasmática (humana) cloroplasto interna (hígado de rata) (patata) (E. coli ) (espinaca) (hígado de rata) Porcentaje total de fosfolípido 60 40 20 0 Fosfatadiletanolamina Fosfatidilinositol Fosfatidilcolina Fosfatidilglicerol Fosfatidilserina Difosfatidilglicerol (cardiolipina) Esfingomielina Figura 7.7 Varias clases de membranas y su composición de fosfolípidos. La abundancia relativa de distintas clases de fosfolípidos de las membranas biológicas varía enormemente dependiendo de la membrana de origen. grandes cantidades de fitoesteroles, entre los que se inclu- una placa de vidrio o placa metálica, mientras que la fase yen el campesterol, sitosterol y estigmasterol. Hasta donde móvil es una mezcla de solventes apropiados. se sabe, las membranas de hongos y protistas también con- En el experimento, lo primero es extraer los lípidos de tienen esteroles similares en su estructura al colesterol. la preparación de membrana usando una mezcla de sol- No se han encontrado esteroles en las membranas de ventes orgánicos. Después, se aplica una gota de la mezcla las células procariotas y también están ausentes de las del extracto en un extremo de la placa tratada con ácido si- membranas internas de mitocondrias y cloroplastos, que lícico, concretamente en un área pequeña denominada el se cree que derivan evolutivamente de membranas plasmá- origen (Figura 7.9a). Una vez el solvente se ha evaporado, ticas de células procariotas. Sin embargo, la membrana se mete el extremo de la placa en un sistema solvente que plasmática de por lo menos algunos procariotas, incluyen- normalmente consiste en cloroformo, metanol y agua. A do tanto bacterias como cianobacterias contienen molécu- medida que el solvente se mueve, pasa por el origen y as- las similares a los esteroles, denominadas hopanoides, que ciende por la placa por capilaridad, los lípidos se separan sustituyen a los esteroles en la estructura de la membrana. La molécula de hopanoide es rígida y fuertemente hidrofó- bica, con una cadena lateral corta e hidrofílica que se ex- tiende desde uno de los lados (Figura 7.8). Los hopanoides CH2OH son abundantes en los depósitos de petróleo, sugiriendo que podrían haber sido componentes de las membranas de los antiguos procariotas que contribuyeron, presumible- mente, a la formación de los combustibles fósiles. (a) Un hopanoide La cromatografía en capa fina es una técnica importante para el análisis de los lípidos ¿Cómo sabemos tanto acerca de los componentes lipídicos de las membranas? La respuesta, por supuesto, es que los biólogos y bioquímicos han aislado, separado y estudiado los lípidos de las membranas durante más de un siglo. Una HO técnica importante para el análisis de los lípidos es la cro- (b) Colesterol matografía en capa fina (TLC) (del inglés, thin layer chro- matography), representada esquemáticamente en la Figura Figura 7.8 Estructura de los hopanoides. (a) Un hopanoide, un 7.9. Esta técnica separa diferentes clases de lípidos basán- tipo de molécula similar al colesterol que parece funcionar en las membranas plasmáticas de algunos procariotas, como lo hacen los dose en sus afinidades relativas por una fase estacionaria esteroles en las membranas de las células eucariotas. (b) La hidrofílica y una fase móvil hidrofóbica. Normalmente la estructura del colesterol. Una cadena lateral débilmente hidrofílica fase estacionaria es una capa fina de ácido silícico sobre (–CH2OH o –OH) sobresale de cada molécula. 180 Capítulo 7 Membranas: estructura, química y función  Frente componentes están presentes en menores cantidades y es del solvente menos probable que se detecten por TLC. No obstante, es- tos últimos lípidos son componentes importantes de la membrana, que abundan en otros tipos de membranas. Coleste erol e Los esfingolípidos, por ejemplo, son especialmente fre- PE cuentes en el tejido nervioso, como ya se ha comentado. PC Sistema PS Los ácidos grasos son esenciales en la estructura Origen solvente y función de la membrana Los ácidos grasos son componentes de todos los lípidos de (a) (b) la membrana excepto de los esteroles. Son esenciales para Figura 7.9 Uso de la cromatografía en capa fina para el análisis de la estructura de la membrana debido a que sus largas colas los lípidos de membrana. La cromatografía en capa fina (TLC1) es hidrocarbonadas forman una barrera hidrofóbica efectiva una técnica útil para analizar los lípidos de membrana. Los lípidos para la difusión de los solutos polares. La mayoría de los se extraen a partir de una preparación de membranas con una ácidos grasos de las membranas tienen entre 12 y 20 áto- mezcla de solventes orgánicos y (a) se aplica una gota de la muestra mos de carbono de longitud, siendo especialmente fre- en un área pequeña de la placa de vidrio o de la placa de metal tratada con una capa fina de ácido silícico. Cuando la mezcla se ha cuentes los ácidos grasos de 16 y 18 átomos de carbono. secado en el punto de origen, la placa se sumerge en un sistema Este rango de tamaños parece ser el óptimo para la forma- solvente que normalmente está compuesto por una mezcla de ción de la bicapa, debido a que las cadenas con menos de cloroformo, metanol y agua. A medida que el solvente asciende por 12 o con más de 20 átomos de carbono son incapaces de la placa por capilaridad, los lípidos se separan en función de su formar una bicapa estable. De esta forma, el espesor de las polaridad: los lípidos no polares como el colesterol no se adhieren con fuerza al ácido silícico y ascienden por la placa, mientras que la membranas (alrededor de 6-8 nm, dependiendo de su ori- mayoría de lípidos polares se mantienen cerca del origen (b) gen) vendría dictado principalmente por la longitud de la cuando el frente del solvente se acerca a la zona superior de la placa, cadena de ácidos grasos necesaria para que la bicapa sea es- se retira la placa del sistema solvente y cada uno de los lípidos table. separados se recupera y se identifica. El patrón que se muestra Los ácidos grasos encontrados en los lípidos de mem- corresponde a la membrana plasmática del eritrocito. Los componentes principales son el colesterol, la fosfatidiletanolamina brana no sólo presentan diferencias en longitud, sino que (PE), la fosfatidilcolina (PC) y la fosfatidilserina (PS). también varían considerablemente en la presencia y núme- ro de dobles enlaces. La Tabla 7.2 muestra las estructuras de diferentes ácidos grasos especialmente frecuentes en los basándose en su polaridad —es decir, por sus afinidades lípidos de membrana. El ácido palmítico y el ácido esteárico relativas por las fases estacionaria y móvil—. Los lípidos son ácidos grasos saturados con 16 y 18 átomos de carbo- no polares, como el colesterol, tienen poca afinidad por el no respectivamente. El ácido oleico y el ácido linoleico son ácido silícico (la fase estacionaria) y por tanto ascienden ácidos grasos insaturados con uno o dos dobles enlaces por la placa con el sistema solvente (la fase móvil). Los lí- respectivamente. Otros ácidos grasos insaturados habitua- pidos más polares, como los fosfolípidos, interactúan fuer- les en las membranas son el ácido linolénico con 18 carbo- temente con el ácido silícico, que ralentiza su movimiento. nos y tres dobles enlaces y el ácido araquidónico con 20 car- De esta forma, lípidos diferentes se separan progresiva- bonos y cuatro dobles enlaces (véase Tabla 3.6). Todos los mente a medida que el frente de avance de la fase móvil ácidos grasos insaturados de las membranas están en la continúa ascendiendo por la placa. Cuando el frente de configuración cis provocando una torsión brusca, un rizo, avance o frente del solvente se acerca a la superficie, la placa de la cadena hidrocarbonada en cada doble enlace. Debido se retira del sistema solvente y se seca, y entonces los lípi- a que sus cadenas laterales no son lineales, los ácidos gra- dos separados se recuperan de la placa (disolviendo cada sos con dobles enlaces no se empaquetan bien en la mem- gota individualizada o cada banda en un solvente como el brana, característica ésta con considerables implicaciones cloroformo) para su posterior identificación y estudio. para la fluidez de la misma, como veremos en breve. La Figura 7.9 muestra el patrón de TLC visto en la membrana plasmática del eritrocito. El componente prin- cipal de esta membrana es el colesterol (25%) y los fosfolí- Asimetría de membrana: la mayoría de los lípidos se pidos (55%), con fosfatidiletanolamina (PE), fosfatidilco- distribuyen de manera desigual entre las dos monocapas lina (PC) y fosfatidilserina (PS) como los fosfolípidos más Puesto que las membranas contienen muchas clases de lí- importantes. La membrana plasmática del eritrocito tam- pidos diferentes, la pregunta que surge es si los diferentes bién contiene fosfatidilinositol y esfingolípidos, pero estos lípidos se distribuyen o no, al azar, entre las dos monoca- pas de lípidos que constituyen una bicapa lipídica. Estu- 1 N. del T.: TLC de Thin Layer Cromatography. dios químicos que incluyen membranas derivadas de una Los lípidos de membranas: la parte «fluida» del modelo 181 182 Capítulo 7 Membranas: estructura, química y función Tabla 7.2 Estructura de algunos ácidos grasos comunes encontrados en las bicapas lipídicas Nombre del Número de átomos Número de ácido graso de carbono dobles enlaces Fórmula estructural Reconstrucción espacial Palmitato O saturado 16 0 C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 −O CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 O Estearato 18 0 C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 −O CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 O H H Oleato insaturado 18 1 C CH2 CH2 CH2 C C −O CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH3 O H H Linoleato 18 2 C CH2 CH2 CH2 C C −O CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 C C CH2 CH2 H H amplia variedad de tipos celulares diferentes revelaron que Mientras que el flip-flop fosfolipídico es relativamente la mayoría de los lípidos se distribuyen de forma desigual raro, su frecuencia es mayor en las membranas naturales entre las dos monocapas. Esta asimetría de la membrana que en las bicapas lipídicas artificiales ya que algunas incluye diferencias tanto en las clases de lípidos presentes membranas —la del retículo endoplasmático liso (ER), en como en el grado de instauración de los ácidos grasos de particular— tienen proteínas denominadas translocado- las moléculas de fosfolípidos. Por ejemplo, la mayoría de res lipídicos, o flipasas, que catalizan el flip-flop de los lí- los glicolípidos presentes en la membrana plasmática de pidos de membrana de una monocapa a la otra. Estas pro- una célula animal —y también la mayoría de las glicopro- teínas actúan sólo sobre clases específicas de lípidos. Por teínas— se restringe a la más externa de las dos monoca- ejemplo, una de estas proteínas en la membrana del retícu- pas. El resultado es, que sus grupos carbohidrato sobresa- lo endoplasmático liso, cataliza la translocación de fosfati- len de la superficie de la membrana externa, en donde dilcolina de un lado de la membrana al otro pero no reco- están implicados en una gran variedad de acontecimientos noce a otros fosfolípidos. Esta capacidad para mover relacionados con la señalización y el reconocimiento. Por moléculas lipídicas selectivamente de un lado de la bicapa otro lado, la fosfatidiletanolamina, el fosfatidilinositol y la al otro es una contribución más a la distribución asimétri- fosfatidilserina son más importantes en la monocapa in- ca de los fosfolípidos a través de la membrana. El papel del terna, donde están implicados en la transmisión de varios retículo endoplasmático liso en la síntesis y flip-flop selec- tipos de señales desde la membrana plasmática hacia el in- tivo de los fosfolípidos de la membrana es un tema al que terior de la célula. Nos esperan más detalles sobre la detec- volveremos en el Capítulo 12. ción de señales y la transducción en el Capítulo 14. La asimetría de la membrana se establece durante su La bicapa lipídica es fluida biogénesis por la inserción de diferentes lípidos o por la existencia de proporciones diferentes de varios lípidos en Una de las propiedades más llamativas de los lípidos de cada una de las dos monocapas. Una vez establecida, la asi- membrana es que más que tener un sitio fijo en la mem- metría tiende a mantenerse debido a que el movimiento de brana, forman una bicapa fluida que permite la difusión los lípidos de una monocapa a la otra requiere que los gru- lateral tanto de los lípidos como de las proteínas en la pos hidrofílicos de sus cabezas pasen a través del interior membrana. Las moléculas lipídicas se mueven especial- hidrofóbico de la membrana, un acontecimiento que es mente rápido debido a que son mucho más pequeñas que desfavorable termodinámicamente. Aunque ocurre de ma- las proteínas. Por ejemplo, una molécula fosfolipídica típi- nera ocasional, este «flip-flop», o difusión transversa de ca, tiene un peso molecular de alrededor de 800 y puede los lípidos de membrana, es relativamente raro. De hecho, viajar la longitud de una célula bacteriana (en la mayoría una molécula de fosfolípido típica experimenta el flip-flop de los casos, unas pocas micras) en un segundo o menos. menos de una vez a la semana en una bicapa fosfolipídica Las proteínas se mueven mucho más lentamente que los lí- pura. Esto contrasta notablemente con la rotación de las pidos, en parte porque son moléculas mucho mayores, con moléculas de fosfolípido alrededor de su eje y con la difu- pesos moleculares varias veces superiores a los de los fosfo- sión lateral de los fosfolípidos en el plano de la membrana, lípidos, pero principalmente debido a sus interacciones movimientos que ocurren libremente, de forma rápida y al con las proteínas del citoesqueleto del interior de la célula. azar. La Figura 7.10 ilustra estos tres tipos de movimientos La difusión lateral de los lípidos de membrana se pue- lipídicos. de demostrar experimentalmente por una técnica denomi- Difusión lateral Figura 7.10 Movimientos de las moléculas de fosfolípido en las membranas. Una molécula de fosfolípido es capaz de realizar tres clases de movimientos en la membrana; rotación alrededor de su eje mayor; difusión lateral al azar intercambiando sitios con moléculas vecinas de la misma monocapa; difusión transversal o «flip-flop», de una monocapa a la otra. A 37 °C en una monocapa de fosfolípidos pura, una molécula lipídica típica intercambia su sitio con moléculas vecinas, unos diez millones de veces por segundo y se mueve lateralmente a una velocidad de varias micras por segundo. Por el contrario, la frecuencia con la que una molécula de fosfolípido individual difunde por flip-flop de una capa a la otra, oscila, entre menos de una vez a la semana en una bicapa fosfolipídica pura, a una vez cada pocas horas en algunas membranas naturales. Esta última diferencia, se debe, a la presencia en algunas membranas, de enzimas denominadas translocadores fosfolipídicos, o flipasas, que catalizan la difusión transversal de moléculas de fosfolípido de una monocapa a la otra. («flip-flop») Los lípidos de membranas: la parte «fluida» del modelo 183 nada recuperación de la fluorescencia después de foto- mentan la mantequilla o la margarina al calentarlas o en- blanqueamiento (Figura 7.11). El investigador etiqueta, o friarlas. Para que una membrana funcione correctamente marca, las moléculas lipídicas de la membrana de una célu- debe mantenerse en el estado fluido —es decir, a una tem- la viva uniéndolas covalentemente a moléculas de un mar- peratura por encima de su valor de Tm—. A una tempera- cador fluorescente. Se utiliza entonces un rayo láser de alta tura por debajo del valor de Tm, todas las funciones que de- intensidad que blanquea el colorante en un punto peque- penden de la movilidad o del cambio conformacional de ño (unas pocas micras cuadradas) de la superficie celular. las proteínas de membranas se verán dañadas o interrum- Si se examina la superficie celular inmediatamente después pidas, incluyendo procesos vitales tales como el transporte con un microscopio de fluorescencia, se observará en la de solutos a través de la membrana, la detección y la trans- membrana, un punto oscuro, no fluorescente. Sin embar- misión de señales, y la comunicación intercelular (consul- go, unos segundos después los extremos del punto se vuel- te la Figura 7.2). ven fluorescentes, ya que moléculas lipídicas blanqueadas La técnica de calorimetría diferencial de barrido per- difunden fuera del área tratada con el láser y moléculas li- mite determinar la temperatura de transición de una pídicas fluorescentes, procedentes de regiones adyacentes membrana dada. Este procedimiento monitoriza la absor- de la membrana, penetran en ella. Finalmente, el punto es ción de calor que se produce durante la transición desde indistinguible del resto de la superficie celular. Esta técnica un estado físico a otro —la transición del estado de gel al no sólo demuestra que los lípidos de membrana están en estado fluido— en el caso de las m