Capitulo 4 A- Las membranas Biologicas

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Resumen de Biología – Cuadernillos Negros
Capítulo 5 – Las membranas Biológicas
Introducción
La celula consiste en una pequeña masa de protoplasma rodeada por una membrana. Las procariontes carecen de endomembranas y un nucleo. Los eucariontes, tienen su nucleo verdadero. Todas las células tienen una membrana plasmática y un protoplasma, y los eucariontes poseen organelas con membranas y un nucleo rodeado por la envoltura celular.
Membrana plasmática
La celula se encuentra en un constante intercambio con el medio que la rodea. Se mantiene viva si mantiene su organización y realiza los trabajos necesarios para ello, dado que necesita energía para desarrollarlos, es decir, necesita alimentos y nutrientes que llegan desde el medio extracelular. Los productos de la síntesis y de desecho pueden pasar al medio extracelular, nuevamente atravesando la membrana. 
Este intercambio de materiales que se produce entre el protoplasma y el medio extracelular se realiza a través de la membrana plasmática. Ésta tiene permeabilidad selectiva, que es la capacidad de regular el intercambio de materiales entre la célula y el medio que la rodea. 
Es una estructura compleja, responsable del control de funciones vitales para la celula y/o para el organismo, da lugar al transporte restringido de solutos y agua, y a su vez, estos transportes pueden estar regulados, originándose la acumulación de ciertos iones, la generación y el mantenimiento de gradientes de concentración y el mantenimiento del equilibrio hídrico.
Su espesor varía entre 75 y 90 A aprox. Es débil, carece de resistencia mecánica y muchas veces es reforzada por otras cubiertas más gruesas y resistentes. Es receptora de estímulos modificándose y modificando algo en la celula. La celula desnuda no puede vivir fuera de un medio acuoso.
Composición química
¿Cuáles son los componentes de la membrana? Son moléculas orgánicas biológicas: proteínas, lípidos y glúcidos.
1. Proteínas: 60% del peso seco de las membranas. Participan en la organización estructural, en la permeabilidad (como transportes o canales), como receptores, como transmisores de señales o informaciones a través de enzimas o poniendo una cierta etiqueta especifica en la superficie de cada tipo celular.
2. Lípidos: son fosfolípidos, aunque hay glicolípidos y colesterol. 40% del peso seco de la membrana y son fundamentales en ella. Hay fosfolípidos neutros y ácidos que se unen a las proteínas. Constituyen la lámina continua que envuelve a la celula y la limita. 
3. Glúcidos: en combinación con proteínas (glicoproteínas) y con lípidos (glicolípidos). Se unen por enlaces covalentes y están siempre expuestos al espacio extracelular. Son oligosacáridos generalmente y están compuestos por diferentes monosacáridos.
Ultraestructura de la membrana plasmática
Danielli y Davson en 1935 postulan la existencia de una unidad de membrana, que proponía que las moléculas de fosfolípidos estaban orientadas en sus grupos polares hacia el exterior y sus largas cadenas hidrocarbonadas hacia el interior, formando una bicapa lipídica. Las proteínas se encuentran distribuidas en parches muy abundantes por toda la capa de fosfolípidos.
Disposición de los lípidos en la membrana
La mayoría de los lípidos que componen la membrana son fosfolípidos, es decir que tienen una cabeza o grupo polar cargada positivamente y afín al agua, y una cadena hidrocarbonada o de ácidos grasos que no está cargada y es insoluble en agua, de allí la denominación de grupo no polar o hidrofóbico. Entonces, son moléculas anfipáticas, y se ubican espontáneamente formando una doble capa molecular donde sus colas hidrofóbicas se enfrentan.
Se ha observado que la bicapa lipídica no es estática, es decir que no tiene configuración rígida sino que, por el contrario, las moléculas que la componen son capaces de moverse, cambiando de posición hasta un millón de veces por segundo. Por lo que los lípidos forman una capa fluida. Hay una serie de movimientos libres de lípidos y proteínas en sentido lateral, pero hay otros movimientos regulados por un control intracelular. Las membranas biológicas son estructuras dinámicas y reguladas que participan en el funcionamiento de la celula y lo regulan. 
Los lípidos son diferentes, lo que resulta en asimétrica. Hay cantidades altas de colesterol en las membranas, lo que mantiene separadas parte de las cadenas de ácidos grasos de los fosfolípidos cercanos, lo que impide que puedan cristalizar. Por otro lado, reduce la movilidad de los lípidos en la bicapa, haciendo menos fluida la membrana y disminuyendo también la permeabilidad a moléculas pequeñas que de otro modo la atravesarían. 
Los fosfolípidos de la membrana son diglicéridos: dos ácidos grasos unidos a una molécula del alcohol glicerol, de tres carbonos. Abundan los fosfolípidos que tienen un grupo diferente unido al grupo fosfato, como la colina, la serina, la etanolamina o inositol, todos grupos hidrofílicos. Los ácidos grasos pueden ser saturados o insaturados, es decir con o sin dobles enlaces en su cadena hidrocarbonado, en general uno saturado y otro insaturado.
Asimetría de los lípidos
Los lípidos pueden ser trasladados de una capa a otra por enzimas translocadoras, que podrían “acomodarlos”, pero siguen siendo asimétricos. Parce que esta asimetría es importante en la regulación de las propiedades de las proteínas asi como en su funcionamiento. 
Proteínas de la membrana, modelo de mosaico fluido
Singer y Nicolson propusieron en 1972 el modelo de mosaico fluido, donde se postula una bicapa lipídica continua, interrumpida en algunos sitios por proteínas que la atraviesan total o parcialmente. Estas son proteínas intrínsecas o integrales de la membrana que tienen regiones hidrofóbicas que les permiten introducirse entre las colas no polares de los lípidos, y zonas hidrofilicas que están mirando hacia la superficie acuosa del espacio intracelular o del lado extracelular.
Proteínas integrales
Entre ellas se encuentran: proteínas estructurales, con una función principalmente mecánica, transportadoras o carriers, que llevan ciertas sustancias a través de la membrana, proteínas con función enzimática, receptores para distintas moléculas que llevan alguna información especial, y proteínas transductoras de la señal que llega a algunos de esos receptores, también hay proteínas con propiedades antigénicas que marcan la superficie de la celula como si estuviera etiquetada. Algunas forman canales por los que pasan ciertos iones, para los cuales la bicapa lipídica es prácticamente impermeable. Otras son bombas que extraen o introducen algún ion con gasto de energía.
Las proteínas integrales de la membrana poseen, en su segmento que atraviesa la membrana, aminoácidos con radicales no polares, que interactúan con los lípidos de a membrana y dicha interacción estabiliza la estructura de las proteínas. Un segmento de transmembrana esta unido al siguiente por una cadena de aminoácidos polares o con radicales hidrofílicos, que salen hacia el medio extracelular o hacia el citoplasmático. Por eso se llaman segmentos extra o intracitoplasmaticos. La región amino terminal (N-terminal) suele ser extracitoplasmatica y la carboxilo terminal (C-terminal), intracitoplasmatica. Si conocemos la secuencia de aminoácidos podemos predecir en forma aproximada la disposición en la membrana, parecen tener estructura de alfa hélice, y están constituidos por 20 a 25 aminoácidos con radicales no polares. Pero hay proteínas integrales que forman poros o canales: en estos casos los aminoácidos que miran hacia los lípidos son no polares, mientras que los que están expuestos al canal de pasaje son polares. 
Proteínas periféricas o extrínsecas
Unidas a las regiones expuestas de las proteínas integrales o en relación con las cabezas polares de los lípidos. Se encuentran dispersas, tanto del lado citoplasmático como del extracelular. Pueden ser extraídas fácilmente sin alterar la integridad de la bicapa lipídica, se mantienen unidas a las cabezas polares o porciones polares porenlaces electrostáticos débiles. 
La disposición de los lípidos y las proteínas en la membrana es asimétrica. Se conocen más de treinta enzimas diferentes con distribución asimétrica a ambos lados de la membrana, algunas proteínas periféricas como la actina o la espectrina se encuentran ancladas a la cara citoplasmática por uniones con proteínas integrales. El citoesqueleto está relacionado con estas proteínas; asi se produce la interacción del citoesqueleto con la membrana plasmática, lo que contribuye a determinar la forma de la celula y la posición de muchas proteínas en la membrana. 
Entre las proteínas que no atraviesan la membrana, hay algunas que se unen a los lípidos a través de un oligosacarido corto, desde el lado extracelular, mientras que otras se unen a los lípidos a través de cadenas largas de polisacáridos.
Hidratos de carbono
Los glúcidos de la membrana son, en general, oligosacáridos que están asociados a las proteínas, formando glicoproteínas; y también están asociados a los lípidos, constituyendo glicolípidos. Están mirando siempre hacia el exterior de la celula, y su disposición también es asimétrica. Participan en el reconocimiento celular, tanto de otras células como de otros componentes del medio extracelular.
Otra forma en que están los hidratos de carbono en la membrana, es como proteoglicanos, constituidos por hidratos de carbono, polisacáridos muy grandes y por proteínas. También miran hacia afuera y están unidos a una proteína integral o a una proteína que está unida, a su vez, a un glicolípido de la membrana: el glicosil-fosfatidil-inositol. En general puede decirse que estos hidratos de carbono forman el glucocálix que rodea la superficie y la protege.
El reconocimiento celular es fundamental en procesos de adhesión entre células, especialmente en adhesiones transitorias. Los oligosacáridos unidos a proteínas son cortos, ramificados y suelen terminar en un acido siálico cargado negativamente.
Polaridad de las células implica polaridad de la membrana
Las proteínas de la membrana se mueven en la bicapa, pero fundamentalmente en el mismo plano, ya sea desplazándose lateralmente o rotando, se mueven entre diez y cien veces más lentamente que los lípidos. Existen dominios de membrana diferentes entre los que se restringe el paso de moléculas, que se comportan como piscinas divididas en compartimientos. Las moléculas se mueven en un dominio pero no pueden pasar al de al lado. Entonces es evidente que las proteínas transportadoras y las enzimas en cada dominio de membrana son diferentes. Las uniones entre las células de un epitelio lo mantienen fuertemente unido; entre esas uniones, la unión estrecha parece ser la fundamental en no permitir el pasaje de moléculas de un dominio a otro de la membrana. 
Funciones de la membrana plasmática
Existe un trabajo muy activo de la membrana, en el sentido de evitar la pérdida de iones o moléculas que son fundamentales para mantener estable el medio intracelular. Se necesita un medio interno relativamente estable, ya que allí tendrán lugar las reacciones bioquímicas y transducciones de energía necesarias para las funciones vitales, mediadas por enzimas.
Estos procesos solo se cumplen adecuadamente si el medio interno se mantiene en condiciones apropiadas de balance de agua y sales, y si contiene los materiales y dispone de la energía. La función de mantenimiento del medio interno se llama homeostasis. 
Se llama difusión al proceso por el cual los átomos y moléculas se mueven al azar y en forma continua, debido a la energía térmica inherente propia de las moléculas. Existe una difusión neta que continuará hasta que el número de moléculas a ambos lados sea el mismo: se alcanza un equilibrio que es dinámico pues las moléculas siguen moviéndose, pero como sus concentraciones a ambos lados son iguales, no hay difusión neta.
Se llama gradiente de concentración a una secuencia gradual de concentraciones, que permite que un soluto pase del lugar donde está más concentrado hacia donde está en menor proporción, hasta anular la diferencia de concentraciones. La membrana plasmática separa dos medios de diferente composición y concentración química. 
Las moléculas que se encuentran a ambo lados de ella tenderían a difundir libremente si la membrana no ofreciera una cierta resistencia al paso de las mismas. Esta resistencia se debe a factores como el espesor, la composición química y estructura de la misma. La disposición de doble capa de los fosfolípidos constituye la base estructural para la baja permeabilidad de la membrana a las moléculas solubles en agua. Además esta disposición parece tener relación con la permeabilidad al agua. Los iones orgánicos, a pesar de ser mucho más pequeños no pueden atravesarla porque tienen cargas. Resulta evidente que la permeabilidad de la membrana plasmática no es igual a todas las moléculas.
Entonces se dice que presenta permeabilidad selectiva. Hay moléculas grandes o algunas proteínas que difunden tan lentamente que podría decirse que la membrana es impermeable a ellas. Debido a ello se retienen en el interior de la celula las macromoléculas propias, impidiendo también la entrada de macromoléculas ajenas. Las moléculas con alta solubilidad en los lípidos difunden a través de las zonas lipídicas de la membrana.
Mecanismos de transporte a través de la membrana
El desplazamiento de moléculas de soluto de una región de mayor concentración a zonas de menor concentración recibe el nombre de difusión. Si difunde a través de la membrana sin resistencia, a favor del gradiente se llama difusión pasiva, ya que no requiere energía. Si el movimiento es a favor del gradiente pero requiere un transportador o canal, se denomina difusión facilitada. Los transportadores o carriers y los canales son proteínas integrales formadas por varias subunidades de polipéptidos. También difundirán en el sentido del gradiente los iones que atraviesen las proteínas que forman canales.
Cuando dos compartimientos que contienen distintas concentraciones de solutos están separados por una barrera semipermeable (deja pasar el solvente pero no el soluto), el agua difunde de la solución menos concentrada a la más concentrada (con menos porcentaje de agua), esto se llama ósmosis.
En el mismo sentido del gradiente de concentración:
· Difusión simple pasiva: sin gasto de energía, puede ser a través de la bicapa o canales que estén abiertos la mayor parte del tiempo
· Difusión facilitada: utilizando una proteína transportadora o carrier, y a través de canales que son muy selectivos y que no están abiertos la mayor parte del tiempo. Tampoco tiene gasto de energía. 
En contra del gradiente de concentración:
· Transporte activo por bombas: moviliza sustancias en contra de sus gradientes de concentración, con gasto de energía metabólica directamente acoplado al transporte, a través de bombas (proteínas integrales con doble función: enzimas y canales).
· Transporte en masa: interviene la membrana con toda su estructura y se realiza con gasto de energía. 
Difusión facilitada
Se hace gracias a la existencia de proteínas transportadoras (permeasas o carriers) o proteínas que forman canales. En este mecanismo interviene un transportador que se une a la sustancia a un lado de la membrana y forma un complejo transportador-soluto, luego la proteína sufre cambios de conformación que permiten que el soluto sea liberado en la superficie opuesta, donde la sustancia se disocia del transportador y abandona la membrana. Solo se modifica la estructura ternaria y cuaternaria de la proteína, por lo que retorna a su estado anterior y puede repetir el ciclo.
Si aumenta la concentración del soluto dentro de la celula, algunas de las moléculas de soluto reaccionan con los transportadores libres en la superficie interna de la membrana y pueden ser movilizadas fuera de la celula. Si la concentración extracelular es mayor que la intracelular, habrá movimiento neto hacia el interior de la célula. 
El ejemplo más común es el de la glucosa. Generalmente el transportadorpuede unirse a la glucosa del fluido que hay entre las células, el fluido intersticial, ya que allí su concentración es elevada. La proteína transportadora que se encuentra en el dominio apical de la celula, entre las microvellosidades, puede acoplar el transporte de glucosa al del Na+, que naturalmente se mueve en el sentido de su gradiente, es decir, hacia el interior de la celula. 
Entonces hay una molecula transportada y un ion cotransportado, este mecanismo se conoce como simporte, ya que las moléculas son acarreadas en el mismo sentido. Existen mecanismos de antiporte, donde el transporte ocurre en el sentido contrario, como cuando se intercambian iones. En la mayor parte de los casos se utiliza energía metabólica para mantener los gradientes iónicos.
Porinas
Son proteínas integrales que se encuentran en muchas bacterias y forman grandes canales, tubulares y llenos de agua. Permiten el pasaje de sustancias hidrofilicas. No son selectivas como los transportadores, sino que actúan como filtro. Se encuentran en una membrana lipoproteica externa de las bacterias que rodea la membrana plasmática, es decir, que no comunican el citoplasma con el medio.
Uniones nexo
Hay un tipo de canales iónicos que comunican las células entre si, son los canales que hay entre las uniones nexo (gap) entre células epiteliales y nerviosas, y entre las células del musculo cardíaco y del musculo liso. Son canales bastantes grandes que comunican con el citoplasma de otra celula, no con el medio extracelular. Asi resultan responsables de transmitir los cambios de concentración de iones a todas las células de un epitelio, por ejemplo, como si se tratara todo de un solo gran protoplasma. 
Los canales están formados por proteínas integrales de la membrana que son polímeros, es decir que están compuestas por muchas subunidades. Comunican el citoplasma con el medio extracelular, y son canales muy selectivos y pequeños que permiten el paso de iones inorgánicos. También se diferencian canales catiónicos y aniónicos. 
Existen tres tipos de canales iónicos:
1. Sensibles a voltaje: se abren o cierran cuando cambia el potencial eléctrico a ambos lados de la membrana
2. Operados por ligandos: es decir por sustancias que llegan desde el exterior y se unen al “receptor-canal”, modificando su apertura.
3. Operado por voltaje y ligando: requiere tanto de cambios en el voltaje como también de la unión de una sustancia desde el exterior para que se abra la compuerta y pasen los iones.
Aunque las velocidades de flujo a través de ellos varían en general son muy superiores a la velocidad de transporte de una proteína transportadora. Los iones se mueven de acuerdo con el gradiente electroquímico, ya que se trata de partículas cargadas. La mayoría de los canales permiten el paso de un solo tipo de iones, en ambas direcciones. El objetivo es alcanzar el equilibrio electroquímico del ion, siempre hacia un estado energético inferior. Los canales pueden estar abiertos o cerrados, y asi el flujo puede ser regulado.
Potencial de membrana y canales de K
Cuando un canal está abierto el flujo de iones puede aumentar hasta un punto en que se hace máxima la velocidad, como si los iones pasaran en “fila india” y no pudieran ir más rápido. Entonces el transporte está saturado. Como ya se mencionó, los canales tienen compuertas y están cerrados la mayor parte del tiempo.
Existe una diferencia de voltaje a ambos lados de la membrana plasmática que se conoce como potencial de reposo de la membrana, y es debido a una diferencia de cargas eléctricas que puede generarse por transporte activo o por difusión pasiva. 
Dentro de la celula hay una proporción de cargas aniónicos importante. Entonces habrá una cantidad de iones positivos atrapados para neutralizar esas cargas negativas. El catión más relevante es el K+. Al estar mucho más concentrado en el interior de la celula, tiende a salir de la misma por los canales de escape. La bomba de Na+ y K+ mantiene bajo el contenido de Na+ en la celula gracias a un transporte activo de ese ion hacia el exterior. 
El K+ en cambio es bombeado hacia el interior (tiende a salir). Asi el K+ tiende a un equilibrio en que no haya flujo neto saliendo por los canales de escape. Es decir que tienden a equilibrarse la fuerza eléctrica de las cargas negativas del interior celular que atrae al K+, con la “pendiente del gradiente de concentración que lo impulsa a salir de la celula.
Transporte activo por bombas
El transporte activo es un proceso donde las moléculas ubicadas en una zona de menor concentración se transportan hacia una de mayor concentración, es decir, en contra del gradiente. Para ello se necesita energía, proveniente en general del ATP.
Bomba de Na+ y K+, saca el primero e ingresa el segundo. Esta bomba es una proteína de membrana que tiene la capacidad enzimática de hidrolizar el ATP (ATPasa), liberando la energía necesaria para transportar los iones. El Na+ tiene una concentración mayor afuera que adentro y ocurre lo inverso con el K+. Por cada ATP hidrolizado entran dos K+ y salen tres Na+. 
Esta bomba consume gran parte de la energía metabólica, es vital para la celula. Es responsable de mantener el equilibrio hídrico. Es fundamental en el transporte por difusión facilitada de monosacáridos y aminoácidos, interviniendo en varios simportes y antiportes.
¿Cuáles son las características del transporte por proteínas integrales? 
· Especificidad: existen en la membrana cierto número de sistemas transportadores o bombas y cada sistema es capaz de reaccionar solamente con un grupo de sustancia química, es decir que les proporciona a ciertas sustancias químicas un mecanismo de entrada especial.
· Saturación: el flujo de moléculas que entran a la celula en un tiempo determinado es proporcional a la concentración de la sustancia fuera de la celula. En ese momento el sistema se halla saturado. Esto ocurre cuando todos los sitios específicos de la membrana se encuentran totalmente ocupados y operando a su nivel máximo de capacidad.
· Competencia: está manifestada por la competencia entre moléculas similares, que entran a la celula utilizando el mismo sitio de transporte. 
Transporte en masa
Los materiales que entran a la celula lo hacen por endocitosis y los que salen por exocitosis. El primero es un proceso por el cual la membrana plasmática envuelve partículas que están en el exterior y las introduce en el citoplasma dentro de una vacuola.
Endocitosis
· Pinocitosis: sustancias disueltas. Las vesículas son en general pequeñas. Es muy frecuente en las células en contacto con luces de conductos, hay células que casi permanentemente hacen este proceso y atrapan porciones del líquido extracelular. 
· Fagocitosis: si se trata de partículas mayores en suspensión, las vesículas que se forman son mayores. Los organismos unicelulares y las células de los organismos pluricelulares toman por este mecanismo, materiales del medio no disueltos y de tamaño considerable, incluyendo otras células como bacterias, fragmentos celulares y proteínas en suspensión. La fagocitosis comienza por la estimulación de la superficie de la celula. Allí hay proteínas que actúan como receptores, que reconocen una cierta molecula del medio, y son estimuladas; allí se desencadena el proceso, fagocitándose la partícula y formando un fagosoma. 
· Endocitosis mediada por receptores: por ejemplo la absorción del LDL. Comienza cuando alguno de los receptores especializados recibe las moléculas específicas que los estimulan, como macromoléculas y complejos moleculares. En la superficie celular hay receptores específicos para LDL, que son proteínas intrínsecas de la membrana; estos receptores ocupados migran por la bicapa, en dirección horizontal, acercándose unos a otros y juntándose en zonas muy ricas en proteínas. Asi se forman las fositas de endocitosis, donde comienza a invaginarse la membrana y se forma un fagosoma. Este fagosoma es parte de la membrana, entonces es selectivo y regulable. En la superficie de las fositas se observa una pelusa,formada por proteínas de varias subunidades, especialmente de la proteína fibrosa clatrina. Cuando llegan señales apropiadas y se unen las moléculas específicas a los receptores, las subunidades de las proteínas se polimerizan formando un relieve particular sobre la superficie celular. Inmediatamente la fosita es endocitada y forma el endosoma. Los lisosomas se unirán a las vacuolas formadas conteniendo LDL y liberaran el colesterol. La membrana podrá reciclarse, mediante exocitosis. 
Exocitosis
Consiste en un proceso de exclusión de material intracelular contenido en vesículas y en general comienza con la llegada de señales desde el medio, a través de la membrana. Estas desencadenan procesos dentro de la celula, como cambios en el citoesqueleto y en su relación con la membrana plasmática. Lleva a poner en contacto la membrana de la vesícula con la plasmática. Por la fisión y fusión posterior de las membranas, el contenido de la vesícula saldrá al espacio extracelular.