Membranas I: _{Estructura y función de las membranas biológicas}

Estructura de la membrana

Nuestro entendimiento científico de membranas comienza con el político Benjamin Franklin. En 1774, Franklin observó los efectos del aceite en una superficie de agua y encontró de que el aceite no se mezcla con el agua pero se extiende sobre la superficie del agua para crea una capa delgada:

Conseguí una vinajera de aceite y puse un poco en el agua. Vi como se extendía con una rapidez sorprendente sobre la superficie… Aunque no fue mas que una cucharadita, produjo un calma instantánea sobre el espacio que era varias yardas cuadradas el cual se extendió gradualmente hasta que llegara hacia el otro lado, haciendo ese cuarto del agua, quizás un acre, tan suave como un vidrio.

Mas de un siglo después, en el año 1890, Lord Rayleigh repitió los experimentos de Franklin mientras estudiaba en la Universidad de Cambridge en Inglaterra. El y otros científicos desarrollaron herramientas y métodos matemáticos para calcular la superficie cubierta por la capa de aceite. A pesar de que estos primeros estudios no se enfocaron directamente en membranas o inclusive en células, eran bien importantes debido a que describían la repulsión que ocurre cuando fluidos insolubles en agua, como el aceite, tienen contacto con el agua. Fue esto que llevo a que los científicos a preguntarse si la membrana celular puede de alguna manera consistir de una sustancia que repela el agua. De esta manera, puede prevenir que fluidos afuera de la célula entren y así mismo prevenir que fluidos dentro de la célula salgan. El hecho de que cuando son vistos bajo un microscopio, las células de animales parecen esferas de aceite ayudo a popularizar la opinión de que las células son de alguna manera rodeadas por una capa de aceite.

Descubriendo la estructura de la membrana

Tomo varias décadas antes de que científicos llegaran a entender las características estructurales de la membrana que le permiten repelar el agua. Este entendimiento vino en tres pasos importantes. Primero, los químicos observaron de que todos los tipos de célula contienen moléculas llamadas lípidos que son hidrofóbicos, o insolubles en el agua. ¿Si las células son casi solo agua, como es que contienen cosas no solubles en el agua? Científicos después imaginaron que quizás una capa insoluble pueda ser la respuesta. Si la membrana externa consistía de lípidos insolubles, la membrana restringiría el agua y moléculas solubles en agua que pasaran, mientras que las moléculas hidrofóbicas pueden pasar por la membrana. Tenían mas evidencia para apoyar la idea – el gas de oxigeno es hidrofóbico pero puede pasar fácilmente por las membranas de células.

El segundo avance principal llegó en el año 1931 con el invento del microscopio electrónico, el cual resolvió un debate de seis años en la comunidad científica. En 1924, dos científicos competidores llegaron a conclusiones opuestas acerca de la estructura de la membrana. Un científico danés americano llamado Hugo Fricke llevo a cabo cálculos que involucraban la superficie de estas células, y su capacidad de carga eléctrica. Basándose en estos cálculos, encontró de que la capa de lípidos rodeando la célula tiene un gruesor de 3.3 nm (Fricke, 1924). A pesar de que las medidas eran dramáticamente exactas, el poco entendimiento de la estructura de lípidos los llevo a el y a otros a la conclusión de que la capa de lípidos alrededor de la célula podría tener solo una sola capa de gruesor. Mientras tanto, dos científicos holandeses, Evert Gorter y Francois Grendel enfocaron la respuesta en otra manera. Extrajeron todos los lípidos de la muestra de glóbulos rojos y les permitieron que se estiraran en una superficie de agua, igual que Ben Franklin había hecho con el aceite. Encontraron de que cuando los lípidos se estiraron como una capa, el área que cubrían era casi exactamente dos veces el tamaño de la superficie de los glóbulos rojos (Gorter & Grendel, 1925). Por ende Gorter y Grendel, 1925 concluyeron de que la superficie de lípidos que rodea las células ha de ser dos capas. Resulta de que la tecnología limitante de esos días llevo a dos errores grandes en su trabajo. Primero, no extrajeron completamente los lípidos de los glóbulos rojos debido a que no sabían de su forma cóncava doble. Sin embargo, los dos errores se cancelaron casi completamente y sus conclusiones eran correctas.

Cuando el microscopio electrónico fue inventado en el año 1930 por los científicos alemanes Max Knoll y Ernst Ruska, dos líneas delgadas podían ser vistas fácilmente rodeando todas las células (Knoll & Ruska, 1970). Esto era evidencia dramática y convincente de que la membrana consistía de una capa doble de lípidos. Mas dramático aun, el microscopio electrónico mostró de que la membrana celular también tenia unas estructuras visibles encrustadas en ella (Figura 1).

El tercer avance en el entendimiento de membranas llegó cuando se realizo de que la membrana es una estructura “fluida” en cual la molécula del componente estaban constantemente en movimiento rápido. A pesar de que varias medidas clave y los experimentos contribuían a su avance de nuestro entendimiento. Quizas lo mas dramático fue el experimento de fusión celular conducido por Larry Frye y Michael Edidin en la Universidad de John Hopkins en 1970 (Frye & Edidin, 1970) Por este experimento inteligente, los científicos criaron células humanas en un plato y células de ratones en otro. Utilizaron una técnica, el cual era nueva en ese entonces, para conectar las etiquetas fluorescentes a unas de las proteínas afuera de las células. Etiquetaron algunas proteínas en las células humanas con un tinte azul fluorescente y las proteínas en las células de ratón con un tinte rojo. Entonces utilizaron un virus para hacer que las células de juntaran. Estas células hibridas que eran mitad humanas, mitad ratón no sobrevivieron por mucho tiempo pero vivieron lo suficiente para mostrarnos algo de las membranas. Primero, justo después de que las células se fusionaron, toda la etiqueta azul se había segregado en la mitad de la célula hibrida, mientras que la etiqueta roja estaba en la otra mitad. Sin embargo, muy rápidamente, las etiquetas comenzaron a mezclarse una con la otra y dentro de 40 minutos, las etiquetas azules y rojas estaban distribuidas equitativamente en la superficie de la célula hibrida. (Figura 2).

La mezcla rápida de etiquetas fluorescentes significa de que las proteínas que estaban en la superficie de la célula no estaba fijada en lugar – pueden y difundirse rápidamente alrededor del exterior de la célula, y de igual manera pueden estar incrustadas en la membrana de plasma. Esta realización llevo al desarrollo del modelo fluido-mosaico de la estructura membranosa, el cual fue articulado completamente por S.J. Singer y Garth L. Nicolson en 1972 (Singer & Nicolson, 1972). Singer y Nicolson explicaron la plasma membranosa como una capa doble, dos capas de moléculas de lípidos, con moléculas de proteína incrustadas en las capas . Compararon esto con un mosaico de azulejo colorido que son ordenados para formar un diseño e imagen. Sin embargo, en este caso, los azulejos son moléculas de lípidos y proteínas, y no están fijados en lugar – se mueven por medio de la difusión. Otra manera de imaginar la superficie de la membrana es de pensar en la superficie de un océano en un día ventoso. (Figura 3), las moléculas de lípido son como el agua del océano y las proteínas se mueven como “témpanos de hielo flotando en el mar de lípidos” (Singer & Nicolson, 1972).

La naturaleza anfipático de la membrana celular

Desde 1972, hemos aprendido bastante acerca de los componentes moleculares de las membranas biológicas y nuestro actual entendimiento de la naturaleza compleja y dinámica de las membranas es muy diferente a la capa estática que nos imaginábamos. La característica estructural mas importante de la membrana es la naturaleza anfipática de los lípidos que forman una gran parte de la membrana. Resulta de que los lípidos que forman las membranas no son completamente hidrofóbicos. Estos lípidos especiales tienen un grupo de fosfatos cargados en un lado, el cual hace la región de la molécula soluble en agua o hidrófilo.

Por ende, estas moléculas de fosfolípidos tienen un grupos que son solubles en agua, creando una estructura anfipática (Figura 4). Jabones y detergentes también son anfipáticos, el cual no solo explica como se disolvieron fácilmente en el agua, pero también, como disuelven aceites y grasas en el agua, la clave de su efectividad y agentes de limpieza.

La naturaleza anfipática de moléculas de fosfolípidos es importante porque explica como estas moléculas establecen una membrana de doble capa. Dos filas de moléculas de lípidos se arreglan por si solas en orientaciones opuestas (Figura 5). La región de la cola hidrófoba se unen para crear un ambiente libre agua y las regiones de la cabeza hidrófila están hacían afuera en donde son libres para interactuar con el agua, el solvente principal tanto afuera como adentro de las células.

Tipos de moléculas en membranas de células

Pero las membranas son mas que simples capas dobles. El experimento por Frye y Edidin involucra proteínas que flotan en la membrana de plasma. Resulta que la membrana tiene muchos tipos de moléculas flotando en ella, no solo proteínas. Por ejemplo, la mayoría de las membranas de las células animales contienen colesterol, un tipo de lípido completamente diferente. El colesterol funciona para regular la fluidez de la membrana y también previene el congelamiento de la membrana de célula en temperaturas bajas. (El hecho de que las células de animales tienen colesterol en sus membranas pero las células de plantas no explica porque el colesterol en nuestras dietas viene de productos animales pero no de plantas.) Adicionalmente, algunos grupos de lípidos tiene un grupo de cabezas de fosfato reemplazado por un grupo de carbohidratos. Estos se llaman glicolípidos. Similarmente, algunas de las proteínas que están en las membranas también tienen grupos de carbohidratos unidos a ellas y se llaman glicoproteínas. Tanto los glicolípidos como las glicoproteínas son “marcadores celulares” importantes utilizados por células para identificarse a otras células.

Algunas proteínas se integran completamente en la membrana y se les llama proteínas de membrana o proteínas transmembranales integrales ya que “cubren” ambas capas de la membrana. Proteínas transmembranales son útiles a la célula debido a que pueden interactuar con moléculas en el afuera de la célula y envían información acerca del ambiente extracelular al interior de la célula. Otras proteínas están mas ligeramente ligadas al interior o exterior de la membrana y se llaman proteínas periféricas de membrana. Proteínas periféricas de membrana son a menudo utilizadas por la célula durante transducción de señal - el proceso por el cual una célula responde a una señal de otra célula, adicionalmente, mientras la mayoría de las proteínas son libres de flotar alrededor de la membrana tal y como vimos en el experimento de la célula hibrida, algunas proteínas están ligadas a parte del citoesqueleto y son por ende ancladas en un solo lugar. Este anclamiento puede servir como un componente estructural de la célula y su ligamiento a otras células o a la matriz de tejido. La figura 6 a continuación muestra una imagen mas completa de los muchos tipos de moléculas que se encuentran en membranas biológicas.

Como es explicado en nuestro módulo El Descubrimiento y la Estructura de Células , la plasma de membrana exterior no es solamente la única membrana en la célula. Muchos orgánulos interiores tienen membranas también, incluyendo el núcleo, mitocondria, cloroplasto, retículo endoplasmático, cuerpo Golgi, lisosoma y peroxisoma. Estas membranas son todas bien similares. Todas se componen de un mar de fosfolípidos con proteínas y otros componentes flotando dentro de ellos. Las diferencias principales son de que los fosfolípidos diferentes que forman las membranas son algo diferentes y los componentes que flotan dentro de las membranas son diferentes. Cada orgánulo, incluyendo la membrana de plasma tiene un tipo único de proteínas flotando en la doble capa de fosfolípidos.

Función de Membrana

Ahora a la pregunta de que función tiene la membrana. Primero y lo mas obvio es que la membrana plasmática es una barrera selectiva. Permite de que las actividades químicas dentro de la célula proceda sin disturbios de eventos fuera de la célula. La biólogo celular famoso Gerald Weissmann enfatizó la importancia de este rol:

Ahora a la pregunta de que función tiene la membrana. Primero y lo mas obvio es que la membrana plasmática es una barrera selectiva. Permite de que las actividades químicas dentro de la célula proceda sin disturbios de eventos fuera de la célula. La biólogo celular famoso Gerald Weissmann enfatizó la importancia de este rol:

La naturaleza de lípido de la membrana permite que sirva como una buena barrera. Los lípidos son insolubles en el agua y repelan agua, por ende son un medio ideal para separar el parte aguada interior y exterior de una célula. Cualquier cosa que es insoluble en el agua, incluyendo pequeños átomos sencillos como iones de H⁺ no pasaran libremente, esto incluye pequeñas moléculas como el oxigeno y el dióxido de carbono y hormonas grandes no solubles en agua como el estrógeno, testosterona, cortisol y hormona de tiroides y vitamina D. Por estas razones las membranas se dicen ser barreras semipermeables. No dejan que pasen moléculas de agua o moléculas solubles en agua, pero si permiten difusión de moléculas insolubles en agua (soluble en lípidos).

Sin embargo, las membranas son mas que barreras pasivas. Esto se hace claro por las muchas moléculas que no pueden pasar por simples capas dobles rápidamente, pero sipueden pasar hacia adentro de células y hacia fuera de células. El agua es el mejor ejemplo. Mientras que el entendimiento de membranas se desarrolló en la comunidad científica, emergió una adivinanza. La estructura de capa doble de fosfolípido no debe ser muy permeable en el agua, pero cuando las células son estudiadas en el laboratorio, la mayoría son muypermeables al agua. ¿Cómo es posible esto? Científicos hasta construyeron membranas sintéticas utilizando exactamente los tipos de cantidades de fosfolípidos encontrados en tipos específicos de células. Estas membranas sintéticas tuvieron bien poca permeabilidad de agua, mientras que las células que modelaron tuvieron permeabilidad de agua bien alta. La hipótesis en ese entonces era que debió haber algún tipo de poro o canal en las membranas por el cual podía pasar el agua, pero toda la evidencia de esto era indirecta. Los canales de iones ya habían sido descubiertos, pero la manera en que las células mueven agua adentro y afuera aun era un misterio.

Esto cambió en el año 1992 cuando Peter Agre y los colegas reportaron su descubrimiento accidental de canales llamados acuaporinas (Preston, et al., 1992). Estos canales son incrustados en la membrana de plasma y permiten que pase el agua hacia adentro y hacia fuera de la célula (Figura 7). Agre y sus colegas no estaban en el negocio de estudiar el transporte de agua. Estaban estudiando los factores Rhesus (Rh) que están presentes en glóbulos rojos y que resultan en complicaciones de incompatibilidad. Al tratar de aislar y purificar estos factores RH, notaron un contaminante en los tubos de ensayo – una proteína de membrana que no intentaban estudiar pero seguía poniéndose en el camino. Cuando notaron de que esta proteína es una de las proteínas mas abundantes en la superficie de los glóbulos rojos, decidieron verlo mas cercanamente y eventualmente se dieron cuenta que este “contaminante” era una proteína que los científicos habían estado buscando durante décadas. A lo largo de los próximos años, toda una familia relacionada con proteínas de acuaporinas fueron descubiertas y estas proteínas tienen una estructura casi idéntica a humanos, moscas de fruta, hongos y plantas, indican un origen anciano y una conservación fuerte a través de mas de mil millones de años de evolución.

Interesantemente, un grupo de investigación de romania liderado por Gheroghe Benga había casi hecho este descubrimiento por lo menos seis años antes de Agre, pero no había aislado o identificado completamente la proteína. Sin embrago, existe controversia acerca de quien es responsable debido a que el trabajo de Benga básicamente describe la misma proteína y había sido hecho público varios años antes, tanto el una revista de EEUU como en una internacional. Sin embargo, Agre y sus colegas no citaron este trabajo en sus publicaciones en sus discursos de Premio Nobel y a la mayoría de la comunidad científica se les paso por alto. Debe ser notado de que trabajando en un país del Bloque de Este mientras se acercaba la caída de la Unión Soviética. Benga y sus colegas no tenían el prestigio o los recursos que Agre y sus colegas disfrutaban en la Universidad de Johns Hopkins. Es concebible de que si Benga estuviera trabajando en una institución internacionalmente mas prestigiosa o con mas recursos financieros, hubiera compartido en Premio Nobel en el año 2003.

El descubrimiento de acuaporinas resalta como las proteínas incrustadas en la membrana de plasma pueden actuar como guardapuertas y gobernar la entrada de moléculas hacia adentro y hacia fuera de la célula. La membrana tiene muchos guardapuertas así y como las acuaporinas son bien especificas. Por ejemplo, las acuaporinas permiten que las moléculas de agua pasen libremente, pero otras moléculas no tanto. Moléculas cercanamente relacionadas pueden pasar, pero con menos eficiencia (Figura 8). Por ejemplo, urea, amoníaco y el alcohol pueden pasar por acuaporinas y estos canales si son la ruta principal por el cual estas moléculas se absorben por la mayoría de estas células. Sin embargo, pasan mas de un millón de veces mas despacio que pasa una molécula de agua. La estructura de acuaporinas revela como alcanzan esta selectividad. Dentro de la cámara parecida a un túnel en donde pasan las moléculas de agua, existen características estructurales que caben solamente en la molécula con el tamaño, forma, y distribución de carga parcial que tiene el agua. Por ende, mientras moléculas similares en tamaño y carga que tiene el agua a veces pueden pasar, pasan a una tasa mas baja en comparación al agua.

Los ejemplos de acuaporinas y CFTR muestran como la membrana de plasma puede ser selectiva con lo que entra y sale de la célula. Como dijo el biólogo Daniel Mazia:

La membrana celular no es una pared o una piel o manga. Es una parte activa de la célula; decide que queda adentro y que queda afuera, y que le hace el afuera hacia el adentro.