Membrana Plasmática

La membrana plasmática está compuesta por fosfolípidos y glicolípidos que forman una bicapa lipídica. Los esteroles, como el colesterol en animales, se insertan en la membrana con el eje longitudinal de la molécula perpendicular al plano de esta, con el grupo hidroxilo próximo a las cabezas polares de los otros lípidos y su región apolar entre las cadenas hidrocarbonadas hidrófobas de los mismos.

Cada especie, tejido, célula u orgánulo tiene una composición de membrana característica, tanto para lípidos como para las proteínas de membrana, que responde a las necesidades funcionales de esa membrana. Por ejemplo, la membrana plasmática de los hepatocitos es rica en colesterol, pero carece de cardiolipina, mientras que en la membrana interna de las mitocondrias ocurre lo contrario, pues es pobre en colesterol, pero contiene grandes cantidades de cardiolipina -hecho que también ocurre en la membrana bacteriana y que es un argumento a favor de la teoría endosimbiótica sobre el origen de las mitocondrias- y los glicolípidos abundan en la membrana de células nerviosas.

La asimetría en la distribución de los lípidos de membrana se refleja en el hecho de que mientras los fosfolípidos con colina, fosfatidilcolina y esfingomielina, abundan en la monocapa externa, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y distintos fosfatidilinositoles predominan en la monocapa citosólica; una consecuencia de esto es que, a pH fisiológico, la presencia de la fosfatidilserina aporta carga negativa, lo que genera una diferencia de carga entre las dos caras de la bicapa. Los glicolípidos como cerebrósidos y gangliósidos son los lípidos de membrana que presentan mayor asimetría, ya que son propios de la monocapa externa, aunque también se encuentran en algunas membranas intracelulares. Los glicolípidos tienden a asociarse entre ellos mediante puentes de hidrógeno entre los restos de azúcares y mediante enlaces de van der Waals entre las cadenas hidrocarbonadas y funcionalmente contribuyen al aislamiento eléctrico, a la protección de la membrana y al reconocimiento (p.e., en esfingolípidos, ciertos residuos glucídicos definen los grupos sanguíneos en humanos). Por su parte, el colesterol se distribuye de forma más o menos equilibrada en las dos monocapas.

Funciones de las Membranas Celulares

Las membranas celulares cumplen distintos papeles:

• Compartimentalización: la membrana plasmática define y limita la célula y mantiene las diferencias entre el contenido citosólico y el exterior celular; las membranas de orgánulos (retículo endoplásmico, aparato de Golgi, mitocondria, etc.) también establecen características diferenciales entre esos orgánulos y el citosol.

• Protección de la célula frente a posibles agresiones externas.

• Mantenimiento de la presión osmótica.

• Control del intercambio de moléculas entre interior y exterior celular mediante su permeabilidad selectiva, puesto que son impermeables para los iones y para la mayoría de las moléculas polares, y los procesos de transporte de solutos específicos. De esta manera se pueden establecer gradientes iónicos que pueden ser utilizados para la síntesis de ATP, el movimiento transmembrana de solutos específicos o, en ciertos tipos celulares, producir y transmitir señales eléctricas.

• Reconocimiento y transducción de señales externas.

• Establecimiento de interacciones intercelulares o con componentes de la matriz extracelular.

• Catálisis de ciertas reacciones llevada a cabo por proteínas de membrana especializadas.

• Determinantes de la forma celular y condicionantes de la motilidad y los procesos de secreción y endocitosis.

Proteínas de Membrana

Las proteínas de membrana son de dos tipos:

• Proteínas integrales: son aquellas que cruzan la membrana y aparecen a ambos lados de la capa de fosfolípidos. La mayor parte de estas proteínas son glicoproteínas, proteínas que tienen unidos uno o varios monosacáridos. La parte de carbohidrato de la molécula está siempre de cara al exterior de la célula.

• Proteínas periféricas: no se extienden a lo ancho de la bicapa, sino que están unidas a las superficies interna o externa de la misma y se separan fácilmente.

Funciones de las Proteínas de Membrana

• Canales: proteínas integrales (generalmente glicoproteínas) que actúan como poros por los que determinadas sustancias pueden entrar o salir de la célula.

• Transportadoras: son proteínas que cambian de forma para dar paso a determinados productos (véase «Transporte de materiales a través de la membrana»).

• Receptores: Son proteínas integrales que reconocen determinadas moléculas a las que se unen o fijan. Estas proteínas pueden identificar una hormona, un neurotransmisor o un nutriente que sea importante para la función celular. La molécula que se une al receptor se llama ligando.

• Enzimas: pueden ser integrales o periféricas y sirven para catalizar reacciones en la superficie de la membrana.

• Anclajes del citoesqueleto: son proteínas periféricas que se encuentran en la parte del citosol de la membrana y que sirven para fijar los filamentos del citoesqueleto.

• Marcadores de la identidad de la célula: son glicoproteínas y glicolípidos características de cada individuo y que permiten identificar las células provenientes de otro organismo. Por ejemplo, las células sanguíneas tienen unos marcadores ABO que hacen que en una transfusión sólo sean compatibles sangres del mismo tipo. Al estar hacia el exterior, las cadenas de carbohidratos de glicoproteínas y glicolípidos forman una especie de cubierta denominada glicocalix.

Permeabilidad Selectiva de la Membrana

La membrana plasmática regula la entrada y salida de materiales, permitiendo la entrada de unos y restringiendo el paso de otros. Esta propiedad se llama permeabilidad selectiva.

La membrana es permeable cuando permite el paso, más o menos fácil, de una sustancia. La permeabilidad de la membrana depende de varios factores relacionados con las propiedades fisicoquímicas de la sustancia:

• Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos (moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la membrana, dado que esta está compuesta en su mayor parte por fosfolípidos.

• Tamaño: la mayor parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a través de la membrana. Sólo un pequeño número de moléculas no polares de pequeño tamaño pueden atravesar la capa de fosfolípidos.

• Carga: Las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en condiciones normales, a través de la membrana. Sin embargo, algunas sustancias cargadas pueden pasar por los canales proteicos o con la ayuda de una proteína transportadora.

También depende la permeabilidad de una membrana de la naturaleza de las proteínas de membrana existentes:

• Canales: algunas proteínas forman canales llenos de agua por donde pueden pasar sustancias polares o cargadas eléctricamente que no atraviesan la capa de fosfolípidos.

• Transportadoras: otras proteínas se unen a la sustancia de un lado de la membrana y la llevan del otro lado, donde la liberan.

En general, estos canales y proteínas transportadoras son altamente selectivos, permitiendo el paso a una única sustancia.

Transporte de Moléculas a través de la Membrana

Esta función de las proteínas de membrana es de vital importancia para la toma de nutrientes por la célula, la salida de productos de desecho de la célula; así como el mantenimiento de diferentes tipos de gradientes electroquímicos (e.g. potencial de membrana) y de concentración de diferentes moléculas a través de la membrana, necesarios para mantener la vida celular.

Tipos de Transporte: Pasivo y Activo

Diferentes tipos de movimiento de las moléculas a través de las membranas biológicas. La difusión pasiva y la difusión facilitada no requieren el consumo de energía, ya que se realiza a favor de gradiente de concentración o electroquímico; cuando las sustancias están cargadas, la dirección y magnitud del flujo de iones a través de una membrana depende tanto de la diferencia de concentración como de la diferencia eléctrica a través de ella, estas dos fuerzas son, por ello, colectivamente conocidas como gradiente electroquímico. Algunas sustancias entran directamente en la célula a través de difusión pasiva, pero muchas sustancias de interés para la célula atraviesan la membrana mediante difusión facilitada. El transporte activo se realiza con consumo de energía (acoplado a la hidrólisis de ATP) al realizarse en una dirección energéticamente desfavorable, contra un gradiente electroquímico o de concentración.

Tipos de Proteínas Transportadoras de Membrana

Se suelen distinguir dos clases de proteínas que intervienen en la difusión facilitada: Las proteínas de canal facilitan la difusión formando poros (e.g. porinas) abiertos en la membrana que permiten la libre difusión de cualquier molécula de tamaño y carga apropiados. Las proteínas transportadoras se unen específicamente en un lado de la membrana a las moléculas que van a ser transportadas, sufren entonces un cambio conformacional que permite que la molécula pase a través de la membrana y sea finalmente liberada al otro lado. Se distinguen tres tipos de transportadores: Uniportes, transportan un solo tipo de molécula a favor de gradiente de concentración y proteínas de cotransporte (simportes y antiportes), que catalizan el movimiento de una molécula en contra de su gradiente de concentración dirigido por el cotransporte (en la misma dirección o en sentidos opuestos respectivamente) de otra molécula o ión a favor de gradiente. Existen también canales iónicos (que transportan iones, moléculas cargadas) cuya apertura es regulada por la unión de un pequeño ligando (e.g. un neurotransmisor, acetilcolina) o con una apertura regulada por cambios en el voltaje eléctrico. Las bombas potenciadas por ATP permiten a la célula el transporte activo de ciertas moléculas en contra de gradiente de concentración o electroquímico.

Señalización Molecular y Comunicación Celular

Ciertas proteínas integrales de membrana sirven también como receptores para recibir y transducir señales químicas o físicas del ambiente externo al interior celular. Permiten, por ello, la comunicación de la célula con su entorno exterior.

Proteínas receptoras de membrana sirven para sentir estímulos externos (generalmente una pequeña molécula señalizadora, e.g. hormona o un estímulo físico, luz por ejemplo) y poner en marcha una cascada de señalización interna que conduce a la generación, finalmente, de una respuesta fisiológica adecuada. En muchos casos los receptores tienen también actividad enzimática.

Unión Intercelular

Las proteínas de membranas adyacentes pueden actuar como puentes de unión entre células. Permiten la comunicación intercelular. Las uniones comunicantes (gap junctions en inglés) son un ejemplo de estructuras para la comunicación intercelular construidas con proteínas integrales de membrana llamadas conexinas.

Reconocimiento Célula-Célula

Los oligosacáridos que se encuentran unidos covalentemente a glicoproteínas y glicolípidos de la membrana plasmática se dirigen hacia el espacio extracelular formando el glicocalix, una especie de manto de carbohidratos que recubre la superficie celular. El glicocalix sirve para proteger la superficie celular de diferentes tipos de agresiones mecánicas y químicas, además de estar implicado en diferentes tipos de interacción célula-célula al servir como puntos de reconocimiento (marcadores) de la superficie celular que son identificados por receptores específicos encontrados en otras células (reconocimiento intercelular). Por ejemplo, los grupos sanguíneos humanos A, B, AB y O reflejan variaciones en la estructura de los oligosacáridos unidos a proteínas o lípidos en la superficie de los eritrocitos o glóbulos rojos.

Los distintos grupos sanguíneos humanos son una consecuencia de la diferente estructura de los oligosacáridos unidos covalentemente a lípidos y proteínas de la membrana de los eritrocitos o glóbulos rojos. Los glóbulos blancos (leucocitos, e.g. neutrófilos, macrófagos) son capaces de adherirse a las células endoteliales gracias a los restos de oligosacáridos que exponen en su superficie y que son reconocidos por receptores específicos (selectinas) de la superficie de las células endoteliales.

Proteínas receptoras, forman enlaces estructurales entre las proteínas del citoesqueleto celular y la matriz extracelular. De importancia fundamental en la construcción de tejidos y en el movimiento celular.

Organelos Celulares

En el citoplasma existen muchos elementos celulares u organelos, cada uno desempeña una función específica para las células; la mayoría tiene una forma propia. Algunos organelos son comunes a todas las células y otros son exclusivos de las células vegetales.

Organelos Comunes a Todas las Células

• Retículo endoplasmático: Es una red de conductos o canales que recorren todo el citoplasma; comunican el núcleo con el citoplasma y éste con el exterior de la célula. Su principal función es la de almacenar las proteínas fabricadas en los ribosomas para después distribuirlas en el citoplasma. Se divide en retículo endoplasmático rugoso (RER), que tiene ribosomas, y retículo endoplasmático liso (REL), que carece de ellos. El RER sintetiza proteínas de membrana y proteínas secretoras, mientras que el REL transporta sustancias del núcleo a la membrana.

• Ribosomas: Tienen forma esférica y cada uno está constituido por dos unidades de proteína. Se forman en el retículo endoplasmático e intervienen en la fabricación de proteínas. Las proteínas de membrana del lumen del RER se sintetizan aquí, estas abundan en células secretoras de proteínas como las del páncreas, que producen insulina y enzimas digestivas.

• Aparato de Golgi: Es un sistema de sacos aplanados llamados “discoidales”, cuya misión es construir ciertos glúcidos y almacenarlos junto con algunas proteínas. Además, interviene en el transporte y acumulación de muchas sustancias. Recibe, mediante vesículas, las proteínas sintetizadas del RER. Tiene 3 regiones: Cis, Media y Trans. La región cis se une con el RER, aquí se depositan proteínas y pasan por la región media y trans, sufren modificaciones según la proteína, luego salen en vesículas hacia la membrana plasmática.

• Vacuolas: Son sacos formados por una membrana sencilla, cuya función consiste en almacenar agua y sustancias de reserva: almidones y grasas, sustancias de desecho y sales. Las vacuolas son más frecuentes en las células vegetales que en las animales. Acumulan agua, iones y nutrientes.

• Lisosomas: Son pequeñas bolsas globulares, cargadas de jugos digestivos, que se forman en el aparato de Golgi. Su función consiste en realizar la digestión de las sustancias ingeridas por la célula. Los lisosomas son abundantes en las células defensoras del organismo, como son los glóbulos blancos.

• Mitocondrias: Son organelos generalmente de forma esférica o de bastoncillo. Están formadas por un sistema de doble membrana; su parte externa es lisa, y su parte interna tiene una serie de pliegues, los cuales forman crestas. Su función es proveer la energía necesaria para las funciones celulares. Producen moléculas de ATP, tienen 2 membranas. La membrana externa es lisa, con la mitad de proteínas y fosfolípidos, se hace permeable a moléculas. La membrana interna, con pliegues o crestas, es menos permeable, tiene 80% de proteínas y 20% de fosfolípidos, tiene ADN con diferencias del ADN nuclear.

Organelos Exclusivos de Células Vegetales

• Pared celular o cápsula de secreción: Es una capa rígida y gruesa que rodea a las células vegetales. Su función es proporcionar sostén a las células de las plantas.

• Cloroplastos: Tienen forma ovoide y se encuentran exclusivamente en las células vegetales. Su función radica en captar la luz por medio de la clorofila, pigmento de color verde que transforma la energía luminosa en energía química, que es aprovechada por la célula para realizar la fotosíntesis.

Núcleo Celular

El núcleo es el repositorio de información genética, centro de control, replica, repara y recombina el ADN, transcripción y procesamiento del ARN (Traducción en el RER y Ribosoma).

La membrana nuclear realiza intercambio entre núcleo y citoplasma, la membrana interna y externa tienen una composición química diferente. El intercambio de moléculas es mediante los poros, que son la unión entre las membranas interna y externa. La membrana externa está unida al retículo endoplasmático, mientras que la membrana interna lleva las proteínas específicas al núcleo (proteínas que se unen a láminas del núcleo). Estas membranas interna y externa son una barrera entre el contenido del núcleo y del citoplasma.

El paso de moléculas se puede dar por difusión, cuando son moléculas pequeñas, no polares o por ósmosis a través del complejo de poro nuclear, para moléculas más grandes y polares (ARN y proteínas).

Lámina Nuclear

En la membrana nuclear interna existe la lámina nuclear, es una malla de fibras (proteínas llamadas laminillas), dan soporte estructural al núcleo, son filamentos que se asocian formando una estructura compleja, a su vez se asocian con las proteínas de la membrana interna (Emerin y Receptor de la lámina B).

La lámina nuclear se une a la cromatina por Histonas H2A y H2B.

Complejo de Poro Nuclear

Pasan por canales: moléculas pequeñas polares, iones, y macromoléculas (ARN y proteínas). Los vertebrados tienen 50 nucleoporinas (proteínas que forman el complejo de poro nuclear). El ARN va al citoplasma y los factores de transcripción entran al núcleo.

El transporte puede ser por difusión pasiva o transporte activo.

El complejo de poro nuclear está formado por 8 subunidades a lo largo del canal, lo cual son 8 radios alrededor del canal central, los cuales están conectados en un anillo que está del lado del núcleo y del citoplasma, este anillo se ancla dentro de la membrana.

Transporte a través del Complejo de Poro Nuclear

Se transportan: Histonas, ADN polimerasa, ARN polimerasa, factores de transcripción, factores de splicing. Ellos tienen una secuencia de aminoácidos específica, llamada secuencia de localización nuclear, reconocidos por receptores de transporte. Existen diferentes secuencias de localización, reconocidas por la familia de proteínas (Carioferina), las cuales pueden ser exportinas o importinas de macromoléculas. El movimiento de las moléculas es mediado por la proteína Ran o GTPasa Ran, es una proteína de unión a GTP, Ran está del lado del citoplasma.

Importinas

• El receptor de transporte nuclear de importación reconoce la secuencia de localización nuclear.
• La proteína cargo con secuencia de localización nuclear se une a la proteína importina y se une a los filamentos.
• El complejo del canal, Ran/GTP rompe el complejo.
• Se forma un complejo importina Ran/GTP que es reusado.

Exportinas

• Las proteínas exportinas reconocen la señal de exportación nuclear de la proteína.
• La exportina se une al Ran/GTP.
• Pasan el canal.
• La enzima Ran GAP disocia el complejo.
• Se reúsa.

Exportación de ARN

La proteína Carioferina importadora y exportadora transporta los ARNt, ARNr y los snRNA mediante el Ran/GTP. En cuanto al ARNm, es por medio de la NTF2. Estos ARN se exportan como Ribonucleoproteínas (RNP).

ARNr: Se asocia con proteínas ribosomales y con proteínas procesadoras de ARN en el núcleo. El ARNm se asocia con 20 proteínas durante su procesamiento y luego se exporta. El ARNt se exporta por la proteína Exportina T. El snRNA se une a proteínas y se exporta al citoplasma, luego se asocia a proteínas y se forma el snRNP, el cual se importa al núcleo.

Organización del Núcleo

Las laminillas son sitios de unión de la cromatina, la cromatina está organizada en grandes loops de ADN, los loops se unen a la matriz de la lámina por proteínas.

Proteínas nucleares forman complejos con la lámina y forma cuerpos nucleares que intervienen en la reparación del ADN.

Cromosoma y Cromatina

Al comenzar la mitosis, la cromatina está condensada. En la interfase, parte de la cromatina se mantiene condensada llamándose heterocromatina, y puede ser de dos tipos: 1°: Constitutiva, tiene secuencias que no se transcriben (Satélites) y 2°: Facultativa, algunas secuencias se transcriben en unas células y en otras no. La cromatina descondensada (Eucromatina) está menos compacta que la heterocromatina, y a menudo se encuentra en transcripción activa.

Organización del Cromosoma

En la interfase, los cromosomas están organizados específicamente y divididos en dominios funcionales (Telómeros y centrómero), cada cromosoma ocupa una región en el núcleo.

Diferentes tipos de células expresan diferentes tipos de genes y su heterocromatina es diferente, varían las regiones de cromatina que interactúan con la lámina, algunas células arreglan los cromosomas de forma radial, no hay arreglos al azar.

Enzimas y Proteínas

Están localizadas en cuerpos del núcleo, similares a esponjas, para el nacimiento de macromoléculas. En mamíferos hay sitios específicos para replicación de ADN. Los componentes del splicing del ARNm están almacenados en pequeñas manchitas. Los cuerpos PML o de la Proteína de la Leucemia Promielocítica y caja 1. Los PML son sitios donde se encuentran las proteínas reguladoras de la transcripción, las cajas 1 contienen proteína caolín, son sitios asociados con el embalaje de RNP.

Nucléolo: Lugar donde se ensambla el ribosoma, se procesa y transcribe el ARNr.