Organización molecular de la membrana

a) Modelo de Membrana

Todas las membranas biológicas se componen de una bicapa continua de lípidos anfipáticos  de aproximadamente 5 nm de espesor, en el que las proteínas están inmersas. Algunas membranas también tienen carbohidratos (mono y oligosacáridos) en su exterior, que  se unen a los lípidos y proteínas. La proporción de lípidos, proteínas y carbohidratos difieren notablemente en función del tipo de célula y membrana (Figura 1).

Figura 1. Estructura de la membrana de una célula Eucariota (Imagen tomada de Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition © 2005 Thiem).

Uno de los principales problemas para comprender la estructura básica de las membranas consistía en determinar la forma en que las moléculas se disponían en un espacio tan pequeño, por lo que Singer y Nicolson realizaron estudios de microscopía para determinar el modelo de membrana conocido como "Modelo de Mosaico Fluido". Según este modelo, las membranas constan de una bicapa lipídica en la cual están inmersas diversas proteínas. Debido a la estructura cuasi-fluida de la membrana, sus componentes pueden realizar movimientos de traslación dentro de la misma. Esta fluidez implica a los componentes que en su mayoría solo están unidos por uniones no covalentes y a los lípidos de membrana que son moléculas muy anfipáticas  con una cabeza polar hidrofílico y una cola apolar hidrófobica (Figura 2). 

Figura 2. Composición de la bicapa lipídica de membrana (Imagen tomada de http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Detalle_de_la_membrana_celular.svg).

b) Lípidos y fluidez de la membrana

La fluidez de las membranas depende principalmente de su composición lipídica y de la temperatura. A una temperatura de transición específica, las membranas pasan de un estado semicristalino a un estado más fluido. Los dobles enlaces en los lípidos de membrana alteran el estado semicristalino. Cuanto mayor sea la proporción de lípidos saturados presentes, menor será la temperatura de transición. El contenido de colesterol también influye en la fluidez de la membrana. Mientras el colesterol incrementa el estado semicristalino, comprime las membranas, y permite que se estabilice la fluidez de la membrana que contienen una alta proporción de lípidos insaturados.

Al igual que los lípidos, las proteínas también se mueven dentro de la membrana. Si no se fijan en un lugar por mecanismos especiales, ellas flotan dentro de la bicapa de lípidos, como un líquido en dos dimensiones; las membranas biológicas, por lo tanto también se describen como un "mosaico fluido". Los lípidos y proteínas pueden cambiar fácilmente dentro de una capa de la membrana, pero el cambio de proteínas entre las dos capas ("flip-flop") no es posible y sólo es posible pero con dificultad en los lípidos (con la excepción de colesterol). Para desplazarse hacia el otro lado, los fosfolípidos requieren proteínas auxiliares especiales (Traslocadores, "flipasas").

Por otra parte, los fosfolípidos son el grupo más importante de los lípidos de membrana. Incluyen fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol, y esfingomielina. Además, las membranas de las células animales también contienen colesterol (con excepción del interior de las membranas mitocondriales). Los glicolípidos se encuentran principalmente en el exterior de la membrana plasmática. Junto con las glicoproteínas, ellos forman la capa exterior de la célula (el glicocalix) (Figura 3).

Figura 3. Fosfolípidos de membrana (Imagen tomada de Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition © 2005 Thiem).

c) Proteínas de Membrana

Las proteínas pueden anclarse en el interior o  exterior de las membranas de diversas maneras. Las proteínas integrales de membrana pasan a través de la bicapa lipídica, en secciones de cadenas péptidicas que se encuentran dentro de la bicapa, por lo general consisten de 20 a 25, principalmente residuos de aminoácidos hidrofóbicos que forman una  α-hélice.

Las proteínas Tipo I y II de membrana sólo contienen una hélice transmembranal de este tipo, mientras que el tipo III contienen varias proteínas. En ocasiones, los polipéptidos del tipo I y II se pueden agregar para formar una proteína transmembranal tipo IV. Varios grupos de proteínas integrales de membrana, por ejemplo, las porinas penetran la membrana con una estructura antiparalela hoja-β. Debido a su forma, este tercer nivel de estructura se conoce como un "barril-β". Las proteínas tipo V y VI  llevan anclajes de lípidos. Estos son los ácidos grasos (ácido palmítico, mirístico ácido), isoprenoides (por ejemplo, farnesol), o glicolípidos como glicosilfosfatidilinositol (IPM) que se unen covalentemente a la cadena del péptido (Figura 4).

Las proteínas periféricas de membrana se asocian con las cabezas de los grupos de fosfolípidos o con otra proteína integral de membrana.

Figura 4. Proteínas de membrana, localizadas en el interior y exterior de la misma (Imagen tomada de Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition © 2005 Thiem).

d) Asimetría del Plasmalema

La membrana plasmática es una estructura asimétrica. Presenta dos monocapas que forman la bicapa lipídica: la monocapa o cara externa que se encuentra hacia el medio extracelular y la cara interna que se encuentra hacia el citosol, la cara citosólica tiene distinta composición y distribución de fosofolípidos y colesterol, como también en la organización de las proteínas embebidas o asociadas a la membrana. La cara externa está compuesta principalmente de fosfatidilcolina y esfingomielina, mientras que la fosfatidiletalonamina, fosfatidilinositol, y fosfatidilserina son los fosfolípidos predominantes de la cara interna o citosólica. Los oligosacáridos unidos a lípidos (gicolípidos) y a las proteínas integrales de membrana (glicoproteínas) se encuentran siempre hacia el exterior celular.  La asimetría en la distribución confiere distintas propiedades funcionales a las dos caras de la membrana. Esta asimetría es tanto una asimetría lateral como transversal. En la asimetría lateral los lípidos o proteínas de un tipo particular se agrupan en un plano o zona concreta de la membrana, mientras que la asimetría transversal es la que existe a través de la membrana desde el lado exterior al lado citosólico. Los lípidos se distribuyen asimétricamente tanto lateral como transversalmente, su asimetría transversal se observa claramente en la membrana de los eritrocitos (glóbulos rojos) donde la fosfatidilcolina comprende el 30% de los fosfolipidos totales, pero de este porcentaje el 30 % se encuentra en la monocapa exterior y el 70% en la hoja que mira hacia el interior. La asimetría lateral de los lípidos es requerida en formación de ciertas estructuras especializadas de la membrana, por ejemplo para llevar a cabo diferentes mecanismos de endocitosis, y también es importante para el correcto funcionamiento de proteínas integrales de membrana (canales iónicos). Por otra parte, las proteínas embebidas integralmente en la membrana tienen una orientación definida asimétrica dentro de la bicapa mostrando una única orientación polarizada debido a que se sintetizan y se insertan en la membrana de una manera asimétrica. Además los oligosacáridos de los glicolípidos y las glicoproteínas de la membrana plasmática sólo se orientan hacia el medio extracelular donde participan en los fenómenos de reconocimiento celular.

e) Movilidad de los componentes de la membrana

La membrana plasmática no es una estructura estática, sus componentes tienen posibilidades de movimiento, que es proporcionado por su fluidez. Los movimientos que pueden realizar los lípidos son (Figura 5):

• Rotación: La molécula gira en torno a su eje. Es muy frecuente y es el responsable de los otros movimientos.
• Difusión lateral: las moléculas se difunden de manera lateral dentro de la misma capa. Es el movimiento más frecuente. 
• Flip-flop: es el movimiento de la molécula lipídica de una monocapa a la otra, gracias a unas enzimas llamadas flipasas. Es el movimiento menos frecuente, por ser energéticamente más desfavorable.
• Flexión: son los movimientos producidos por las colas hidrófobas de los fosfolípidos.

Figura 5. Movimiento de los componentes de membrana (Imagen tomada de http://html.rincondelvago.com/membrana-plasmatica.html).

Referencias:

• Gerald Karp, Biología Celular y Molecular “Conceptos y Experimentos”, 4a edición, Mc Graw Hill, 2005.
• Jan Koolman and Klaus-Heinrich Roehm, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition © 2005 Thieme.