Membrana celular

La membrana celular (también conocida como membrana plasmática (PM) o membrana citoplasmática, e históricamente denominada plasmalema) es una membrana biológica que separa el interior de todas las células del entorno exterior (el espacio extracelular) y protege a la célula de su entornoLa membrana celular consta de una bicapa lipídica, formada por dos capas de fosfolípidos con colesteroles (un componente lipídico) intercalados entre ellos, manteniendo una adecuada fluidez de la membrana a diversas temperaturas. La membrana también contiene proteínas de membrana, incluidas proteínas integrales que atraviesan la membrana y sirven como transportadores de membrana, y proteínas periféricas que se adhieren de forma laxa al lado externo (periférico) de la membrana celular, actuando como enzimas para facilitar la interacción con el entorno celular.Los glicolípidos incrustados en la capa lipídica externa tienen un propósito similar. La membrana celular controla el movimiento de sustancias dentro y fuera de las células y orgánulos, siendo selectivamente permeable a iones y moléculas orgánicas. Además, las membranas celulares están involucradas en una variedad de procesos celulares, como la adhesión celular, la conductividad iónica y la señalización celular, y sirven como superficie de unión para varias estructuras extracelulares, incluida la pared celular y la capa de carbohidratos llamada glucocáliz, así como el red intracelular de fibras proteicas llamada citoesqueleto. En el campo de la biología sintética, las membranas celulares se pueden volver a ensamblar artificialmente.

Historia

Mientras que el descubrimiento de las células por parte de Robert Hooke en 1665 condujo a la propuesta de la teoría celular, Hooke engañó la teoría de la membrana celular de que todas las células contenían una pared celular dura, ya que en ese momento solo se podían observar células vegetales.Los microscopistas se centraron en la pared celular durante más de 150 años hasta que se hicieron avances en microscopía. A principios del siglo XIX, se reconoció que las células eran entidades separadas, desconectadas y unidas por paredes celulares individuales después de que se descubrió que las células vegetales podían separarse. Esta teoría se extendió para incluir células animales y sugerir un mecanismo universal para la protección y el desarrollo celular. En la segunda mitad del siglo XIX, la microscopía aún no estaba lo suficientemente avanzada como para distinguir entre membranas celulares y paredes celulares. Sin embargo, algunos microscopistas identificaron correctamente en ese momento que, si bien eran invisibles, se podía inferir que las membranas celulares existían en las células animales debido al movimiento intracelular de los componentes internamente pero no externamente y que las membranas no eran el equivalente de una pared celular para la célula vegetal. También se infirió que las membranas celulares no eran componentes vitales para todas las células. Muchos refutan la existencia de una membrana celular todavía a finales del siglo XIX. En 1890, una actualización de la Teoría Celular estableció que las membranas celulares existían, pero eran meras estructuras secundarias. No fue hasta estudios posteriores con ósmosis y permeabilidad que las membranas celulares ganaron más reconocimiento.En 1895, Ernest Overton propuso que las membranas celulares estaban formadas por lípidos.

La hipótesis de la bicapa lipídica, propuesta en 1925 por Gorter y Grendel, generó especulaciones sobre la descripción de la estructura de la bicapa de la membrana celular basada en estudios cristalográficos y observaciones de pompas de jabón. En un intento por aceptar o rechazar la hipótesis, los investigadores midieron el grosor de la membrana.En 1925, Fricke determinó que el grosor de las membranas de los eritrocitos y las células de levadura oscilaba entre 3,3 y 4 nm, un grosor compatible con una monocapa lipídica. Se cuestionó la elección de la constante dieléctrica utilizada en estos estudios, pero las pruebas futuras no pudieron refutar los resultados del experimento inicial. Independientemente, el leptoscopio se inventó para medir membranas muy delgadas comparando la intensidad de la luz reflejada de una muestra con la intensidad de una membrana estándar de espesor conocido. El instrumento podía resolver espesores que dependían de las mediciones de pH y la presencia de proteínas de membrana que oscilaban entre 8,6 y 23,2 nm, y las mediciones más bajas respaldaban la hipótesis de la bicapa lipídica. Más tarde en la década de 1930, el modelo de estructura de membrana desarrollado en acuerdo general para ser el modelo paucimolecular de Davson y Danielli (1935). Este modelo se basó en estudios de tensión superficial entre aceites y huevos de equinodermos. Dado que los valores de tensión superficial parecían ser mucho más bajos de lo que se esperaría para una interfaz agua-petróleo, se asumió que alguna sustancia era responsable de reducir las tensiones interfaciales en la superficie de las células. Se sugirió que había una bicapa lipídica entre dos capas delgadas de proteína. El modelo paucimolecular se hizo popular de inmediato y dominó los estudios de membrana celular durante los siguientes 30 años, hasta que rivalizó con el modelo de mosaico fluido de Singer y Nicolson (1972). Dado que los valores de tensión superficial parecían ser mucho más bajos de lo que se esperaría para una interfaz agua-petróleo, se asumió que alguna sustancia era responsable de reducir las tensiones interfaciales en la superficie de las células. Se sugirió que había una bicapa lipídica entre dos capas delgadas de proteína. El modelo paucimolecular se hizo popular de inmediato y dominó los estudios de membrana celular durante los siguientes 30 años, hasta que rivalizó con el modelo de mosaico fluido de Singer y Nicolson (1972). Dado que los valores de tensión superficial parecían ser mucho más bajos de lo que se esperaría para una interfaz agua-petróleo, se asumió que alguna sustancia era responsable de reducir las tensiones interfaciales en la superficie de las células. Se sugirió que había una bicapa lipídica entre dos capas delgadas de proteína. El modelo paucimolecular se hizo popular de inmediato y dominó los estudios de membrana celular durante los siguientes 30 años, hasta que rivalizó con el modelo de mosaico fluido de Singer y Nicolson (1972).

A pesar de los numerosos modelos de la membrana celular propuestos antes del modelo de mosaico fluido, sigue siendo el arquetipo principal de la membrana celular mucho después de su creación en la década de 1970.Aunque el modelo de mosaico fluido se ha modernizado para detallar los descubrimientos contemporáneos, los conceptos básicos se han mantenido constantes: la membrana es una bicapa lipídica compuesta de cabezas exteriores hidrofílicas y un interior hidrofóbico donde las proteínas pueden interactuar con cabezas hidrofílicas a través de interacciones polares, pero las proteínas que abarcan el bicapa tienen total o parcialmente aminoácidos hidrofóbicos que interactúan con el interior lipídico no polar. El modelo de mosaico fluido no solo proporcionó una representación precisa de la mecánica de la membrana, sino que mejoró el estudio de las fuerzas hidrofóbicas, que más tarde se convertiría en una limitación descriptiva esencial para describir las macromoléculas biológicas.

Durante muchos siglos, los científicos citados no estuvieron de acuerdo con la importancia de la estructura que estaban viendo como la membrana celular. Durante casi dos siglos, se observaron las membranas, pero en su mayoría se ignoraron como una estructura importante con función celular. No fue hasta el siglo XX que se reconoció la importancia de la membrana celular. Finalmente, dos científicos Gorter y Grendel (1925) descubrieron que la membrana está “basada en lípidos”. A partir de esto, impulsaron la idea de que esta estructura tendría que estar en una formación que imitara capas. Una vez estudiado más, se encontró que al comparar la suma de las superficies celulares y las superficies de los lípidos, se estimó una relación de 2:1; proporcionando así la primera base de la estructura bicapa conocida hoy en día.

Diferentes escritores se han referido a la estructura como ectoplasto (de Vries, 1885), Plasmahaut (piel de plasma, Pfeffer, 1877, 1891), Hautschicht (capa de piel, Pfeffer, 1886; utilizado con un significado diferente por Hofmeister, 1867 ), membrana plasmática (Pfeffer, 1900), membrana plasmática, membrana citoplasmática, envoltura celular y membrana celular. Algunos autores que no creían que existiera un límite permeable funcional en la superficie de la célula prefirieron utilizar el término plasmalema (acuñado por Mast, 1924) para la región externa de la célula.

Composición

Las membranas celulares contienen una variedad de moléculas biológicas, en particular lípidos y proteínas. La composición no está establecida, sino que cambia constantemente por la fluidez y los cambios en el entorno, incluso fluctuando durante las diferentes etapas del desarrollo celular. Específicamente, la cantidad de colesterol en la membrana celular de la neurona primaria humana cambia, y este cambio en la composición afecta la fluidez a lo largo de las etapas de desarrollo.

El material se incorpora a la membrana, o se elimina de ella, mediante una variedad de mecanismos:

• La fusión de vesículas intracelulares con la membrana (exocitosis) no solo excreta el contenido de la vesícula sino que también incorpora los componentes de la membrana de la vesícula en la membrana celular. La membrana puede formar vesículas alrededor del material extracelular que se desprenden y se convierten en vesículas (endocitosis).
• Si una membrana es continua con una estructura tubular hecha de material de membrana, entonces el material del tubo puede aspirarse hacia el interior de la membrana de forma continua.
• Aunque la concentración de los componentes de la membrana en la fase acuosa es baja (los componentes estables de la membrana tienen poca solubilidad en agua), existe un intercambio de moléculas entre las fases lipídica y acuosa.

Lípidos

La membrana celular consta de tres clases de lípidos anfipáticos: fosfolípidos, glicolípidos y esteroles. La cantidad de cada uno depende del tipo de célula, pero en la mayoría de los casos los fosfolípidos son los más abundantes, a menudo constituyen más del 50 % de todos los lípidos en las membranas plasmáticas. Los glicolípidos solo representan una pequeña cantidad de alrededor del 2% y los esteroles constituyen el resto. En estudios de glóbulos rojos, el 30% de la membrana plasmática es lípido. Sin embargo, para la mayoría de las células eucariotas, la composición de las membranas plasmáticas es aproximadamente la mitad de lípidos y la mitad de proteínas en peso.

Las cadenas grasas de los fosfolípidos y glicolípidos suelen contener un número par de átomos de carbono, normalmente entre 16 y 20. Los ácidos grasos de 16 y 18 carbonos son los más comunes. Los ácidos grasos pueden ser saturados o insaturados, con la configuración de los dobles enlaces casi siempre "cis". La longitud y el grado de insaturación de las cadenas de ácidos grasos tienen un profundo efecto en la fluidez de la membrana, ya que los lípidos insaturados crean una torcedura, lo que evita que los ácidos grasos se agrupen con tanta fuerza, lo que reduce la temperatura de fusión (aumenta la fluidez) de la membrana. La capacidad de algunos organismos para regular la fluidez de sus membranas celulares alterando la composición lipídica se denomina adaptación homeoviscosa.

Toda la membrana se mantiene unida a través de la interacción no covalente de las colas hidrofóbicas, sin embargo, la estructura es bastante fluida y no se fija rígidamente en su lugar. En condiciones fisiológicas, las moléculas de fosfolípidos de la membrana celular se encuentran en estado líquido cristalino. Significa que las moléculas de lípidos pueden difundirse libremente y exhiben una rápida difusión lateral a lo largo de la capa en la que están presentes. Sin embargo, el intercambio de moléculas de fosfolípidos entre las láminas intracelulares y extracelulares de la bicapa es un proceso muy lento. Las balsas lipídicas y las caveolas son ejemplos de microdominios enriquecidos con colesterol en la membrana celular.Además, una fracción del lípido en contacto directo con las proteínas integrales de la membrana, que está estrechamente unida a la superficie de la proteína, se denomina capa lipídica anular; se comporta como parte del complejo proteico.

En las células animales, el colesterol normalmente se encuentra disperso en diversos grados a lo largo de las membranas celulares, en los espacios irregulares entre las colas hidrofóbicas de los lípidos de la membrana, donde confiere un efecto de rigidez y fortalecimiento a la membrana. Además, la cantidad de colesterol en las membranas biológicas varía entre organismos, tipos de células e incluso en células individuales. El colesterol, un componente principal de las membranas plasmáticas animales, regula la fluidez de la membrana en general, lo que significa que el colesterol controla la cantidad de movimiento de los diversos componentes de la membrana celular en función de sus concentraciones.A altas temperaturas, el colesterol inhibe el movimiento de las cadenas de ácidos grasos de fosfolípidos, lo que reduce la permeabilidad a las moléculas pequeñas y reduce la fluidez de la membrana. Lo contrario es cierto para el papel del colesterol en temperaturas más frías. La producción de colesterol, y por lo tanto la concentración, se regula (aumenta) en respuesta a la temperatura fría. A temperaturas frías, el colesterol interfiere con las interacciones de la cadena de ácidos grasos. Actuando como anticongelante, el colesterol mantiene la fluidez de la membrana. El colesterol es más abundante en animales de clima frío que en animales de clima cálido. En las plantas, que carecen de colesterol, los compuestos relacionados llamados esteroles realizan la misma función que el colesterol.

Fosfolípidos formando vesículas lipídicas

Las vesículas lipídicas o liposomas son bolsas aproximadamente esféricas que están encerradas por una bicapa lipídica.Estas estructuras se utilizan en laboratorios para estudiar los efectos de las sustancias químicas en las células mediante la entrega de estas sustancias químicas directamente a la célula, así como para obtener más información sobre la permeabilidad de la membrana celular. Las vesículas lipídicas y los liposomas se forman suspendiendo primero un lípido en una solución acuosa y luego agitando la mezcla mediante sonicación, lo que da como resultado una vesícula. Al medir la tasa de salida desde el interior de la vesícula a la solución ambiental, permite al investigador comprender mejor la permeabilidad de la membrana. Las vesículas se pueden formar con moléculas e iones dentro de la vesícula formando la vesícula con la molécula o ión deseado presente en la solución. Las proteínas también se pueden incrustar en la membrana solubilizando las proteínas deseadas en presencia de detergentes y uniéndolas a los fosfolípidos en los que se forma el liposoma. Estos proporcionan a los investigadores una herramienta para examinar varias funciones de proteínas de membrana.

Carbohidratos

Las membranas plasmáticas también contienen carbohidratos, predominantemente glicoproteínas, pero con algunos glicolípidos (cerebrósidos y gangliósidos). Los carbohidratos son importantes en el papel del reconocimiento célula-célula en eucariotas; están ubicados en la superficie de la célula donde reconocen las células huésped y comparten información, los virus que se unen a las células usando estos receptores causan una infección. En su mayor parte, no ocurre glicosilación en las membranas dentro de la célula; en general, la glicosilación se produce en la superficie extracelular de la membrana plasmática. El glucocáliz es una característica importante en todas las células, especialmente en los epitelios con microvellosidades. Datos recientes sugieren que el glucocáliz participa en la adhesión celular, la búsqueda de linfocitos,y muchos otros. El penúltimo azúcar es la galactosa y el azúcar terminal es el ácido siálico, ya que el esqueleto del azúcar se modifica en el aparato de Golgi. El ácido siálico lleva una carga negativa, proporcionando una barrera externa a las partículas cargadas.

Proteínas

Tipo	Descripción	Ejemplos
Proteínas integrales o proteínas transmembrana	Atraviesan la membrana y tienen un dominio citosólico hidrofílico, que interactúa con las moléculas internas, un dominio transmembrana hidrofóbico que lo ancla dentro de la membrana celular y un dominio extracelular hidrofílico que interactúa con las moléculas externas. El dominio hidrofóbico consta de uno, múltiples o una combinación de hélices α y motivos de proteína de hoja β.	Canales iónicos, bombas de protones, receptor acoplado a proteína G
Proteínas ancladas en lípidos	Unido covalentemente a moléculas de lípidos individuales o múltiples; se inserta hidrofóbicamente en la membrana celular y ancla la proteína. La proteína en sí no está en contacto con la membrana.	proteínas G
Proteínas periféricas	Unido a proteínas integrales de membrana, o asociado con regiones periféricas de la bicapa lipídica. Estas proteínas tienden a tener solo interacciones temporales con las membranas biológicas y, una vez que reaccionan, la molécula se disocia para continuar su trabajo en el citoplasma.	Algunas enzimas, algunas hormonas

La membrana celular tiene un gran contenido de proteínas, típicamente alrededor del 50% del volumen de la membrana. Estas proteínas son importantes para la célula porque son responsables de diversas actividades biológicas. Aproximadamente un tercio de los genes de la levadura codifican específicamente para ellos, y este número es aún mayor en los organismos multicelulares. Las proteínas de membrana constan de tres tipos principales: proteínas integrales, proteínas periféricas y proteínas ancladas en lípidos.

Como se muestra en la tabla adyacente, las proteínas integrales son proteínas transmembrana anfipáticas. Los ejemplos de proteínas integrales incluyen canales iónicos, bombas de protones y receptores acoplados a proteína g. Los canales iónicos permiten que los iones inorgánicos, como el sodio, el potasio, el calcio o el cloro, se difundan a favor de su gradiente electroquímico a través de la bicapa lipídica a través de los poros hidrofílicos de la membrana. El comportamiento eléctrico de las células (es decir, las células nerviosas) está controlado por canales iónicos. Las bombas de protones son bombas de proteínas que están incrustadas en la bicapa lipídica que permiten que los protones viajen a través de la membrana al transferirse de una cadena lateral de aminoácidos a otra. Procesos como el transporte de electrones y la generación de ATP utilizan bombas de protones.Un receptor acoplado a proteína G es una sola cadena polipeptídica que cruza la bicapa lipídica siete veces respondiendo a moléculas de señal (es decir, hormonas y neurotransmisores). Los receptores acoplados a proteína G se utilizan en procesos como la señalización de célula a célula, la regulación de la producción de AMPc y la regulación de los canales iónicos.

La membrana celular, al estar expuesta al ambiente exterior, es un sitio importante de comunicación célula-célula. Como tal, una gran variedad de receptores de proteínas y proteínas de identificación, como antígenos, están presentes en la superficie de la membrana. Las funciones de las proteínas de membrana también pueden incluir el contacto célula-célula, el reconocimiento de superficies, el contacto con el citoesqueleto, la señalización, la actividad enzimática o el transporte de sustancias a través de la membrana.

La mayoría de las proteínas de membrana deben insertarse de alguna manera en la membrana. Para que esto ocurra, una "secuencia señal" de aminoácidos en el extremo N dirige las proteínas al retículo endoplásmico, que inserta las proteínas en una bicapa lipídica. Una vez insertadas, las proteínas se transportan a su destino final en vesículas, donde la vesícula se fusiona con la membrana diana.

Función

La membrana celular rodea el citoplasma de las células vivas, separando físicamente los componentes intracelulares del entorno extracelular. La membrana celular también desempeña un papel en el anclaje del citoesqueleto para dar forma a la célula y en la unión a la matriz extracelular y otras células para mantenerlas unidas y formar tejidos. Los hongos, las bacterias, la mayoría de las arqueas y las plantas también tienen una pared celular, que proporciona un soporte mecánico a la célula e impide el paso de moléculas más grandes.

La membrana celular es selectivamente permeable y capaz de regular lo que entra y sale de la célula, facilitando así el transporte de materiales necesarios para la supervivencia. El movimiento de sustancias a través de la membrana puede ser "pasivo", ocurriendo sin el aporte de energía celular, o "activo", requiriendo que la célula gaste energía para transportarlo. La membrana también mantiene el potencial celular. La membrana celular funciona así como un filtro selectivo que permite que solo ciertas cosas entren o salgan de la célula. La célula emplea una serie de mecanismos de transporte que involucran membranas biológicas:

1. Ósmosis pasiva y difusión: algunas sustancias (moléculas pequeñas, iones) como el dióxido de carbono (CO ₂ ) y el oxígeno (O ₂ ), pueden moverse a través de la membrana plasmática por difusión, que es un proceso de transporte pasivo. Debido a que la membrana actúa como una barrera para ciertas moléculas e iones, pueden presentarse en diferentes concentraciones en los dos lados de la membrana. La difusión ocurre cuando las moléculas pequeñas y los iones se mueven libremente de una concentración alta a una concentración baja para equilibrar la membrana. Se considera un proceso de transporte pasivo porque no requiere energía y es impulsado por el gradiente de concentración creado por cada lado de la membrana.Tal gradiente de concentración a través de una membrana semipermeable establece un flujo osmótico para el agua. La ósmosis, en los sistemas biológicos, involucra un solvente, que se mueve a través de una membrana semipermeable de manera similar a la difusión pasiva, ya que el solvente todavía se mueve con el gradiente de concentración y no requiere energía. Si bien el agua es el solvente más común en la celda, también puede ser otros líquidos, así como líquidos y gases supercríticos.

2. Canales y transportadores de proteínas transmembrana: las proteínas transmembrana se extienden a través de la bicapa lipídica de las membranas; funcionan en ambos lados de la membrana para transportar moléculas a través de ella. Los nutrientes, como azúcares o aminoácidos, deben ingresar a la célula y ciertos productos del metabolismo deben salir de la célula. Tales moléculas pueden difundirse pasivamente a través de canales de proteínas como las acuaporinas en difusión facilitada o son bombeadas a través de la membrana por transportadores transmembrana. Proteínas del canal de proteínas, también llamadas permeasas., suelen ser bastante específicos y solo reconocen y transportan una variedad limitada de sustancias químicas, a menudo limitadas a una sola sustancia. Otro ejemplo de una proteína transmembrana es un receptor de superficie celular, que permite que las moléculas de señalización celular se comuniquen entre las células.

3. Endocitosis: La endocitosis es el proceso en el que las células absorben moléculas engulliéndolas. La membrana plasmática crea una pequeña deformación hacia el interior, denominada invaginación, en la que se capta la sustancia a transportar. Esta invaginación es causada por proteínas en el exterior de la membrana celular, que actúan como receptores y se agrupan en depresiones que eventualmente promueven la acumulación de más proteínas y lípidos en el lado citosólico de la membrana. Luego, la deformación se desprende de la membrana en el interior de la célula, creando una vesícula que contiene la sustancia capturada. La endocitosis es una vía para la internalización de partículas sólidas ("comer células" o fagocitosis), moléculas pequeñas e iones ("beber células" o pinocitosis) y macromoléculas.

4. Exocitosis: así como el material puede ingresar a la célula por invaginación y formación de una vesícula, la membrana de una vesícula puede fusionarse con la membrana plasmática, extruyendo su contenido al medio circundante. Este es el proceso de exocitosis. La exocitosis se produce en varias células para eliminar residuos no digeridos de sustancias traídas por endocitosis, para secretar sustancias como hormonas y enzimas y para transportar una sustancia completamente a través de una barrera celular. En el proceso de exocitosis, la vacuola alimenticia que contiene desechos no digeridos o la vesícula secretora brotada del aparato de Golgi, primero es movida por el citoesqueleto desde el interior de la célula hacia la superficie. La membrana de la vesícula entra en contacto con la membrana plasmática. Las moléculas lipídicas de las dos bicapas se reorganizan y las dos membranas se fusionan.

Procariotas

Los procariotas se dividen en dos grupos diferentes, Archaea y Bacteria, y las bacterias se dividen aún más en grampositivas y gramnegativas. Las bacterias gramnegativas tienen una membrana plasmática y una membrana externa separadas por periplasma; sin embargo, otros procariotas solo tienen una membrana plasmática. Estas dos membranas difieren en muchos aspectos. La membrana externa de las bacterias gramnegativas difiere de otros procariotas debido a que los fosfolípidos forman el exterior de la bicapa y las lipoproteínas y los fosfolípidos forman el interior.La membrana externa típicamente tiene una calidad porosa debido a la presencia de proteínas de membrana, como las porinas gramnegativas, que son proteínas formadoras de poros. La membrana plasmática interna también es generalmente simétrica, mientras que la membrana externa es asimétrica debido a proteínas como las mencionadas anteriormente. Además, para las membranas procarióticas, existen múltiples cosas que pueden afectar la fluidez. Uno de los principales factores que pueden afectar la fluidez es la composición de ácidos grasos. Por ejemplo, cuando se cultivó la bacteria Staphylococcus aureus en 37C durante 24 h, la membrana exhibió un estado más fluido en lugar de un estado similar a un gel. Esto apoya el concepto de que a temperaturas más altas, la membrana es más fluida que a temperaturas más frías. Cuando la membrana se vuelve más fluida y necesita estabilizarse más, producirá cadenas de ácidos grasos más largas o cadenas de ácidos grasos saturados para ayudar a estabilizar la membrana. Las bacterias también están rodeadas por una pared celular compuesta de peptidoglicano (aminoácidos y azúcares). Algunas células eucariotas también tienen paredes celulares, pero ninguna está hecha de peptidoglicano. La membrana externa de las bacterias gram negativas es rica en lipopolisacáridos, que son regiones lipídicas de carbohidratos y polisacáridos combinados que estimulan la inmunidad natural de la célula.La membrana externa puede formar ampollas en protuberancias periplásmicas en condiciones de estrés o según los requisitos de virulencia mientras se encuentra con una célula objetivo huésped y, por lo tanto, dichas ampollas pueden funcionar como orgánulos de virulencia. Las células bacterianas proporcionan numerosos ejemplos de las diversas formas en que las membranas de las células procarióticas se adaptan con estructuras que se adaptan al nicho del organismo. Por ejemplo, las proteínas en la superficie de ciertas células bacterianas ayudan en su movimiento de deslizamiento. Muchas bacterias gramnegativas tienen membranas celulares que contienen sistemas de exportación de proteínas impulsados ​​por ATP.

Estructuras

Modelo de mosaico fluido

Según el modelo de mosaico fluido de SJ Singer y GL Nicolson (1972), que reemplazó al modelo anterior de Davson y Danielli, las membranas biológicas pueden considerarse como un líquido bidimensional en el que las moléculas de lípidos y proteínas se difunden con mayor o menor facilidad. Aunque las bicapas lipídicas que forman la base de las membranas forman por sí mismas líquidos bidimensionales, la membrana plasmática también contiene una gran cantidad de proteínas, que aportan más estructura. Ejemplos de tales estructuras son complejos proteína-proteína, piquetes y vallas formados por el citoesqueleto basado en actina y, potencialmente, balsas lipídicas.

Bicapa lipídica

Las bicapas lipídicas se forman a través del proceso de autoensamblaje. La membrana celular consta principalmente de una capa delgada de fosfolípidos anfipáticos que se organizan espontáneamente de manera que las regiones hidrofóbicas de la "cola" se aíslan del agua circundante, mientras que las regiones hidrofílicas de la "cabeza" interactúan con las caras intracelular (citosólica) y extracelular de la bicapa resultante.. Esto forma una bicapa lipídica esférica continua. Las interacciones hidrofóbicas (también conocidas como efecto hidrofóbico) son las principales fuerzas impulsoras en la formación de bicapas lipídicas. Un aumento en las interacciones entre las moléculas hidrofóbicas (que provocan la agrupación de regiones hidrofóbicas) permite que las moléculas de agua se unan más libremente entre sí, lo que aumenta la entropía del sistema.

Las bicapas lipídicas son generalmente impermeables a los iones y moléculas polares. La disposición de cabezas hidrofílicas y colas hidrofóbicas de la bicapa lipídica evita que los solutos polares (p. ej., aminoácidos, ácidos nucleicos, carbohidratos, proteínas e iones) se difundan a través de la membrana, pero generalmente permite la difusión pasiva de moléculas hidrofóbicas. Esto le otorga a la célula la capacidad de controlar el movimiento de estas sustancias a través de complejos proteicos transmembrana como poros, canales y puertas. Las flipasas y las scramblasas concentran fosfatidilserina, que lleva una carga negativa, en la membrana interna. Junto con NANA, esto crea una barrera adicional para los restos cargados que se mueven a través de la membrana.

Las membranas cumplen diversas funciones en las células eucariotas y procariotas. Un papel importante es regular el movimiento de materiales dentro y fuera de las células. La estructura de bicapa de fosfolípidos (modelo de mosaico fluido) con proteínas de membrana específicas explica la permeabilidad selectiva de la membrana y los mecanismos de transporte pasivo y activo. Además, las membranas en procariotas y en las mitocondrias y cloroplastos de eucariotas facilitan la síntesis de ATP a través de la quimiosmosis.

Polaridad de la membrana

La membrana apical de una célula polarizada es la superficie de la membrana plasmática que mira hacia el interior de la luz. Esto es particularmente evidente en las células epiteliales y endoteliales, pero también describe otras células polarizadas, como las neuronas. La membrana basolateral de una célula polarizada es la superficie de la membrana plasmática que forma sus superficies basal y lateral. Está orientado hacia afuera, hacia el intersticio y lejos de la luz. Membrana basolateral es una frase compuesta que se refiere a los términos "membrana basal (base)" y "membrana lateral (lateral)", que, especialmente en las células epiteliales, son idénticas en composición y actividad. Las proteínas (como los canales iónicos y las bombas) pueden moverse libremente desde la superficie basal a la lateral de la célula o viceversa de acuerdo con el modelo de mosaico fluido. Las uniones estrechas unen las células epiteliales cerca de su superficie apical para evitar la migración de proteínas desde la membrana basolateral a la membrana apical. Las superficies basales y laterales siguen siendo aproximadamente equivalentesentre sí, pero distintas de la superficie apical.

Estructuras de membrana

La membrana celular puede formar diferentes tipos de estructuras "supramembrana" como caveola, densidad postsináptica, podosoma, invadopodio, adhesión focal y diferentes tipos de uniones celulares. Estas estructuras suelen ser responsables de la adhesión celular, la comunicación, la endocitosis y la exocitosis. Se pueden visualizar mediante microscopía electrónica o microscopía de fluorescencia. Están compuestos por proteínas específicas, como integrinas y cadherinas.

Citoesqueleto

El citoesqueleto se encuentra debajo de la membrana celular en el citoplasma y proporciona un andamiaje para que las proteínas de la membrana se anclen, además de formar orgánulos que se extienden desde la célula. De hecho, los elementos del citoesqueleto interactúan extensa e íntimamente con la membrana celular.Las proteínas de anclaje las restringen a una superficie celular particular, por ejemplo, la superficie apical de las células epiteliales que recubren el intestino de los vertebrados, y limita hasta dónde pueden difundirse dentro de la bicapa. El citoesqueleto es capaz de formar orgánulos similares a apéndices, como los cilios, que son extensiones basadas en microtúbulos cubiertas por la membrana celular, y los filopodios, que son extensiones basadas en actina. Estas extensiones están envueltas en una membrana y se proyectan desde la superficie de la célula para detectar el entorno externo y/o hacer contacto con el sustrato u otras células. Las superficies apicales de las células epiteliales son densas con proyecciones en forma de dedos basadas en actina conocidas como microvellosidades, que aumentan el área de la superficie celular y, por lo tanto, aumentan la tasa de absorción de nutrientes.

Membranas intracelulares

El contenido de la célula, dentro de la membrana celular, se compone de numerosos orgánulos unidos a la membrana, que contribuyen a la función general de la célula. El origen, estructura y función de cada orgánulo conduce a una gran variación en la composición celular debido a la singularidad individual asociada con cada orgánulo.

• Se considera que las mitocondrias y los cloroplastos evolucionaron a partir de bacterias, lo que se conoce como teoría endosimbiótica. Esta teoría surgió de la idea de que Paracoccus y Rhodopseudomonas, tipos de bacterias, comparten funciones similares a las mitocondrias y las algas verdeazuladas, o cianobacterias, comparten funciones similares a los cloroplastos. La teoría endosimbiótica propone que a lo largo de la evolución, una célula eucariota engulló estos 2 tipos de bacterias, lo que llevó a la formación de mitocondrias y cloroplastos dentro de las células eucariotas. Este engullimiento condujo a los sistemas de 2 membranas de estos orgánulos en los que la membrana externa se originó a partir de la membrana plasmática del huésped y la membrana interna era la membrana plasmática del endosimbionte. Teniendo en cuenta que las mitocondrias y los cloroplastos contienen su propio ADN, se respalda aún más que ambos orgánulos evolucionaron a partir de bacterias engullidas que prosperaron dentro de una célula eucariota.
• En las células eucariotas, la membrana nuclear separa el contenido del núcleo del citoplasma de la célula.La membrana nuclear está formada por una membrana interna y externa, proporcionando la estricta regulación de materiales dentro y fuera del núcleo. Los materiales se mueven entre el citosol y el núcleo a través de poros nucleares en la membrana nuclear. Si el núcleo de una célula es más activo en la transcripción, su membrana tendrá más poros. La composición proteica del núcleo puede variar mucho de la del citosol, ya que muchas proteínas no pueden atravesar los poros por difusión. Dentro de la membrana nuclear, las membranas interna y externa varían en la composición de proteínas, y solo la membrana externa se continúa con la membrana del retículo endoplásmico (RE). Al igual que el RE, la membrana externa también posee ribosomas responsables de producir y transportar proteínas al espacio entre las dos membranas.
• El ER, que forma parte del sistema de endomembranas, constituye una gran parte del contenido total de la membrana de la célula. El RE es una red cerrada de túbulos y sacos, y sus funciones principales incluyen la síntesis de proteínas y el metabolismo de los lípidos. Hay 2 tipos de ER, liso y rugoso. El RE rugoso tiene ribosomas adheridos que se usan para la síntesis de proteínas, mientras que el RE liso se usa más para el procesamiento de toxinas y la regulación del calcio en la célula.
• El aparato de Golgi tiene dos cisternas de Golgi redondas interconectadas. Los compartimentos del aparato forman múltiples redes tubulares-reticulares responsables de la organización, la conexión de la pila y el transporte de carga que muestran vesículas continuas en forma de racimos de uvas que oscilan entre 50 y 60 nm. El aparato consta de tres compartimentos principales, una cisterna plana en forma de disco con redes tubulares-reticulares y vesículas.

Variaciones

La membrana celular tiene diferentes composiciones de lípidos y proteínas en distintos tipos de células y, por lo tanto, puede tener nombres específicos para ciertos tipos de células.

• Sarcolema en las células musculares: Sarcolema es el nombre que recibe la membrana celular de las células musculares. Aunque el sarcolema es similar a otras membranas celulares, tiene otras funciones que lo diferencian. Por ejemplo, el sarcolema transmite señales sinápticas, ayuda a generar potenciales de acción y está muy involucrado en la contracción muscular. A diferencia de otras membranas celulares, el sarcolema forma pequeños canales llamados túbulos T que atraviesan la totalidad de las células musculares. También se ha encontrado que el sarcolema promedio tiene un grosor de 10 nm en comparación con el grosor de 4 nm de una membrana celular general.
• El oolema es la membrana celular de los ovocitos: el oolema de los ovocitos (óvulos inmaduros) no es consistente con una bicapa lipídica ya que carecen de una bicapa y no consisten en lípidos. Más bien, la estructura tiene una capa interna, la envoltura de fertilización, y el exterior está formado por la capa vitelina, que está formada por glicoproteínas; sin embargo, los canales y las proteínas aún están presentes para sus funciones en la membrana.
• Axolema: La membrana plasmática especializada en los axones de las células nerviosas que es responsable de la generación del potencial de acción. Consiste en una bicapa lipídica granular densamente empaquetada que trabaja en estrecha colaboración con los componentes del citoesqueleto espectrina y actina. Estos componentes del citoesqueleto pueden unirse e interactuar con proteínas transmembrana en el axolema.

Permeabilidad

La permeabilidad de una membrana es la tasa de difusión pasiva de moléculas a través de la membrana. Estas moléculas se conocen como moléculas permeables. La permeabilidad depende principalmente de la carga eléctrica y la polaridad de la molécula y en menor medida de la masa molar de la molécula. Debido a la naturaleza hidrófoba de la membrana celular, las moléculas pequeñas eléctricamente neutras atraviesan la membrana más fácilmente que las grandes y cargadas. La incapacidad de las moléculas cargadas para pasar a través de la membrana celular da como resultado la partición del pH de las sustancias en los compartimentos de líquidos del cuerpo.