Una célula es como una antigua ciudad amurallada, con una gran actividad en su interior, con sus talleres, almacenes, centros administrativos, calles con gran tráfico, pero sobre todo, rodeada por una muralla que la incluye y la define. Esta pared, llamada "membrana plasmática", es la responsable de proteger la célula del azaroso medio que la rodea. Del mismo modo que las murallas se construían para proteger las ciudades de invasores armados, la membrana plasmática ha ido evolucionando para proteger la célula de sustancias de su medio ambiente inmediato, tales como ácidos tóxicos, álcalis y iones. La evolución de una membrana envolvente, ha sido fundamental en el desarrollo de la célula primitiva, del mismo modo que en las ciudades antiguas ella constituyó un elemento fundamental en la historia humana. Ella contribuyó a formar un "matraz de reacción" en cuyo interior en condiciones relativamente estables, se fue controlando y experimentando la vida. Fue así como permitió mantener un ambiente interno ideal para la estabilidad de las proteínas y su funcionalidad.

Desde entonces la membrana ha prevenido el escape de productos valiosos como las proteínas, ácidos nucleicos y carbohidratos. Al mismo tiempo, como la muralla de una ciudad, ha permitido que por sus puertas entren los nutrientes vitales, y se puedan eliminar los productos de deshecho. Mas aún, como el único sitio de contacto con el mundo externo, puede recibir y transmitir mensajes. En el hecho, facilitando las comunicaciones, la membrana plasmática es la base de la organización de todos los organismos multicelulares. Permitiendo a todas y cada una de las células cooperar coordinadamente en la construcción y mantención de tejidos y órganos.


Estructuras de las membranas

Del mismo modo que los edificios internos que alberga la ciudad están protegidos por sus propias murallas, las estructuras internas de las células, que desarrollan funciones específicas, (sus organelos), también están rodeadas por membranas con estructuras semejantes a la de la membrana plasmática. Todas ellas, las que forman las paredes externas, como las que envuelven los organelos, están compuestas por dos capas de moléculas de fosfolípidos, unidas de espalda a espalda (fig. 1). La mayor parte de los fosfolípidos tienen dos colas que son hidrofóbicas (repelen el agua) y una cabeza que es hidrofílica (atraen el agua) (fig. 2). En cada capa, todos los fosfolípidos están alineados en la misma dirección, con sus colas repelentes al agua, levemente unidas con las de la otra capa, formando una doble capa de un grosor de alrededor de cinco millonésima de milímetros (5 nanómetros). En una membrana de una célula animal, como es el caso de un glóbulo rojo, hay alrededor de mil millones de moléculas de lípidos.

Uno de los hechos notables de la doble capa, es que los lípidos tienen libertad para moverse rápidamente en el plano de su propia capa, haciendo de su estructura un "cristal líquido", que no es ni sólido, ni líquido. Esto le da a la membrana una integridad estructural, pero al mismo tiempo le proporciona gran flexibilidad, permitiendo a la célula cambiar su forma, expandirse o contraerse. Esta estructura única, también le permite a ella quebrarse y re-ensamblarse a sí misma, lo que es fundamental durante la división celular, como también para formar pequeños sacos, llamados vesículas, que se organizan tanto para importar, como exportar partículas grandes. Para dar una idea de la naturaleza líquida de la membrana plasmática, una simple molécula de lípido, en la pared de una gran bacteria, puede atravesar toda la longitud de la célula (alrededor de 3.5 milésimas de milímetro en el caso de una Escherichia coli), en un segundo.

La membrana plasmática contiene además otros dos tipos de lípidos: colesterol y glicolípidos. El "colesterol" es un importante constituyente de todas las membranas animales y tiene la ventaja de prevenir la formación de uniones fuertes entre la cola de los lípidos, con lo que las estructuras se mantienen fluidas. Los "glicolípidos" se encuentran principalmente sueltos en la cara externa de la doble capa, donde tienen un rol en la aislación eléctrica y en el reconocimiento y contacto intercelular.

La membrana esta sembrada de proteínas, algunas de las cuales están flotando inmersas en ella, mientras otras están ancladas a estructuras internas de la célula, el "citoesqueleto". Las proteínas contribuyen con el 50% de la masa de la membrana, pero hay alrededor de 50 moléculas lipídicas por cada molécula proteica (las proteínas son alrededor de 50 veces más grandes). Las proteínas actúan como receptores para transmitir información a través de la membrana, uniéndose a moléculas específicas del medio y trasladando su señal dentro de la célula, por mensajeros químicos. También actúan como canales y transportadores, permitiendo que moléculas entren y salgan de la célula.

Las proteínas de membranas son de dos grandes tipos: (a).- Las llamadas "proteínas transmembrana", que atraviesan de lado a lado la doble capa lipídica. Ellas son capaces de esta hazaña siendo "anfifílicas". Unidas con los fosfolípidos, poseen ambas partes; hidrofílicas e hidrofólicas. La región hidrofílica esta expuesta al agua en ambos lados de la capa, mientras su región hidrofóbica, dentro de la doble capa, esta débilmente unida a la cola de la molécula fosfolipídica. A menudo ellas tienen regiones de cargas positivas adyacente a la capa interna de la membrana que la ancla fuertemente a la cabeza del fosfolípido cargado negativamente. Las proteínas de transmembrana tienden a estar comprometidas en el traslado de sustancias a través de la membrana, o en uniones mecánicas del citoesqueleto, con estructuras fuera de la célula, como pueden ser otras células o a la red de proteínas fibrosas que la rodean. (b).- Por contraste, otras proteínas cumplen funciones de "señalizaciones de la célula" y están ubicadas en la superficie interna o externa de la membrana. Ellas, uniéndose a moléculas señalizadoras, reciben y transmiten mensajes. En cierta forma, son como un interruptor, que controlan la maquinaria química de la célula o su vecindario.


Como funciona la barrera

Lo que hace a la membrana plasmática tan efectiva como barrera protectora en un medio acuoso, es su interior hidrofóbico. Esto permite a la célula mantener diferentes concentraciones de solutos acuosos dentro y fuera, lo mismo que también sucede con la membrana de los organelos, como es la membrana de las mitocondrias. Los iones como sodio, cloro y potasio, son incapaces de cruzar la doble capa sin ayuda. Pequeñas "moléculas polares", con una desigual distribución de carga, tienen algunas dificultades para cruzar. Pero ya las grandes moléculas polares, como el azúcar, los aminoácidos y nucleótidos, no pueden atravesar el tupido tejido hidrofóbico del interior de la membrana. Por otra parte, las moléculas de agua, a pesar de ser polares, son lo suficientemente pequeñas como para filtrarse.

La célula, con el objeto de ingerir nutrientes, excretar productos y regular la concentración de los iones en su interior, ha desarrollado mecanismos para seleccionar sustancias que crucen a través de la membrana. Proteínas transmembranas especializadas, transportan iones y otras moléculas solubles en agua. La importancia en el transporte de estas proteínas, por investigaciones realizadas en el bacilo E.coli, donde se ha podido comprobar que uno de cada cinco genes que el bacilo debe codificar para todo su metabolismo vital, corresponden a proteínas que tienen que ver con el transporte de membrana. Cada proteína transporta un tipo particular de moléculas. Esto se demostró en la década del 50, cuando los biólogos descubrieron que eliminado un simple gene de la bacteria, se impedía el transporte de moléculas específicas de azúcar. En humanos, muchas enfermedades hereditarias son la consecuencia de la incapacidad de la membrana celular para transportar una molécula específica. Así por ejemplo, la Fibrosis Quística, la enfermedad genética más común, es causada por la falla de una proteína de membrana para transportar iones cloro, por lo que se afecta el proceso en las células de glándulas, como también de células que secretan mucus. Como consecuencia de ello, el mucus se hace muy espeso, lo que tapona las glándulas intestinales, los bronquios pulmonares y los acinos pancreáticos.

Hay dos clases principales de proteínas que tienen que ver con el transporte: "proteínas transportadoras" y "proteínas canales". En el caso de las proteínas transportadoras, su mecanismo preciso de acción, aun no esta claro. Se cree que el transportador se une a una molécula específica en un lado de la membrana, y luego la transfiere a través de la doble capa por una serie de contorciones reversibles de la misma, para finalmente liberarla al otro lado. Uno se puede imaginar la proteína, como enzima de unión de membrana, y los solutos que transporta, como su sustrato (figura 3).

Por contraste, las "proteínas canales", forman estrechos poros hidrofílicos, a través de los cuales pueden rápidamente difundir pequeños iones, desde una alta concentración en un lado, a una baja concentración en el otro. La difusión es un proceso pasivo, por lo que la célula no tiene que gastar energía en el paso de estos iones a través de sus canales. Pero solo iones de un tamaño y carga específica pueden negociar un tipo particular de canal. Como las enzimas, estas proteínas tienen sitios de unión para iones específicos, lo que las hace altamente selectivas. Además, los canales pueden abrirse y cerrarse espontáneamente, o pueden ser "puertas", significando que ellos solo se pueden abrir bajo circunstancias particulares. Los canales, voltage- puertas, solo se abren cuando a través de la membrana se alcanza el umbral de diferencia de potencial; los canales puertas se abren mecánicamente en respuesta a stress mecánico; y los canales puertas- ligantes solo se abren en presencia de un "ligante"( moléculas que se unen a la proteína, como por ejemplo puede ser un ion o nucleotido dentro de la célula, o una molécula señalizadora externa, como el caso del neurotransmisor acetil-colina).

El paso de los iones es muy rápido. En un segundo pueden difundir más de un millón de iones a través de un solo canal, lo que es mil veces más rápido que el ingreso por proteínas transportadoras. La combinación de la respuesta que se gatillan por el stress mecánico, los ligandos o por los cambios de voltaje, logran que los canales iónicos sean perfectos para reacciones rápidas. Las células a través de las membranas, pueden llegar a alcanzar una gran diferencia en la concentración de iones, llegando a almacenar efectivamente una energía potencial, como cuando se almacena el agua por una represa. Esta energía puede liberarse en un instante cuando se abre la puerta del canal iónico. Así por ejemplo, la respuesta de la planta mimosa que cierra sus hojas, se debe a la súbita apertura de un canal ionico, como también la habilidad que tiene el organismo unicelular "Paramecium" para cambiar de dirección cuando choca con un objeto. Cada vez que movemos un músculo tenemos que agradecerle a un canal iónico ubicado en la membrana de los nervios motores y en la fibra muscular.

Mientras que los canales proteicos simplemente facilitan la difusión, los transportadores están acoplados a una fuente de energía y bombean solutos activamente a través de la membrana, en la misma forma que hay que bombear agua cerro arriba. Este transporte activo permite a los solutos moverse contra su gradiente electroquímica. Por ejemplo, una bomba iónica, puede mover iones cargados positivamente de una área donde su concentración es baja, a un área donde ésta es alta, como también de un área totalmente cargada negativa a un área con carga mayoritariamente positiva. Ellos desarrollan este truco, ya sea degradando moléculas de ATP, que es la fuente de energía química, o captando la fuente de energía potencial almacenada en la gradiente electroquímica de otro soluto. Dos de las bombas mejores conocidas y más difundidas son: la "bomba sodio-potasio", que juegan un rol crítico en las membranas plasmáticas de todos los animales, ayudando a la célula a mantener su volumen, y la "bomba de calcio", que entre muchas otras cosas, ayuda a regular la contracción de la fibra muscular.

Una célula animal típica, invierte un tercio de todos sus recursos energéticos, solo en el combustible de la bomba sodio-potasio. En la célula animal la concentración de ion potasio (K+) se mantiene dentro de la célula a una concentración entre 10 a 30 veces más alta que su concentración fuera de ella. Lo inverso sucede con el ion sodio (Na+), y la célula usa esta gradiente de concentración de Na+ para regular su propio volumen a través de osmosis. Ellas también la usan para dirigir el transporte de azúcar y aminoácidos al interior de la célula. La bomba sodio-potasio, mantiene este vital gradiente iónica degradando ATP. Por cada molécula de ATP que degrada la bomba, expulsa de la célula 3 iones Na+ y admite dos iones K+. Como todas las proteínas transportadoras, la bomba puede pensarse como una enzima unida a la membrana, y como parte de su función comprende la degradación del ATP. A ella se refiere como una ATPasa. Otras ATPasas unidas a la membrana, funcionan como bomba del calcio y bomba de hidrogeno.

También pueden ser transportadas a través de la membrana, pequeñas moléculas solubles en agua, por proteínas de canales especializadas, llamadas transportadoras. Algunas simplemente facilitan la difusión "cerro abajo" desde una área de alta concentración de solutos, a una área de concentración más baja ("transporte pasivo"). Pero en otras ocasiones pueden también empujar solutos contra su gradiente electroquímica, usando energía potencial almacenada en otra gradiente de iones. Esto se llama "transporte activo secundario", ya que descansa en bombas iónicas, como las que se han descrito anteriormente para mantener la gradiente.

Un buen ejemplo de interacción entre bombas iónicas y transportadores, puede verse en las células del epitelio del intestino. Estas células desarrollan una vital tarea, absorbiendo glucosa desde el intestino por su cara expuesta al lumen intestinal, y transfiriéndola por el otro lado al líquido extracelular, desde donde pasa al torrente circulatorio. En la cara expuesta al intestino, la glucosa es transportada a través de la membrana desde una baja concentración, a una alta concentración por transporte secundario activo. En efecto, el transportador de glucosa para manejar el transporte de la glucosa, usa la difusión pasiva del sodio desde el intestino al interior de la célula. Mientras tanto, en el otro lado de la célula la bomba Na+/K+ ATPasa bombea activamente la expulsión del sodio de la célula para mantener la gradiente de difusión. Y como la concentración de la glucosa dentro de la célula se eleva, otro tipo de transportador de glucosa facilita su difusión al líquido extracelular, y finalmente al torrente sanguíneo.

A pesar de todo, los biólogos no tienen completamente claro cómo precisamente los transportadores de glucosa realizan su función, lo que es de enorme interés para las compañías que diseñan drogas. Por ejemplo, se ha encontrado recientemente que un tipo de droga que se ha suministrado a pacientes de SIDA con el objeto de bloquear la replicación del virus, tiene un efecto colateral no deseado, que bloquea los transportadores de glucosa. Esto parece ser la causa de que los pacientes que toman estas drogas (inhibidores de proteasas), presenten una diabetes y que además desarrollen un aspecto desagradable de redistribución de grasas bajo su piel. Ahora los farmacólogos están tratando de aclarar cuales son las causas de estos efectos colaterales, con el objetivo de diseñar drogas que no los produzcan.


Otra alternativa para las moléculas más grandes

Algunas moléculas, como proteínas y ácidos nucleicos, son demasiado grandes como para que puedan cruzar la membrana por cualquiera de los métodos ya descritos. Para ello, la membrana como un todo, permite la entrada de esa molécula grande a la célula, por el proceso llamado "endocitocis", o la salida de la misma por el proceso llamado "exocitosis". Durante la endocitocis, la membrana plasmática rodea una porción del medio externo, como lo hace una ameba para envolver su presa. Para ello, la membrana flexible se invagina para formar primero una cavidad y luego una esfera completa. Finalmente la membrana se vuelve a fusionar, mientras que en el interior se ha creado una vesícula rodeada por una membrana, que contiene la molécula incorporada. La endocitosis funciona cuando una molécula específica, como la lipoproteína de baja densidad (LDL colesterol, o colesterol malo) se une a un receptor en la superficie exterior de la membrana plasmática.

Por otra parte, cuando la célula produce moléculas destinadas a exportar, se empaquetan estas en vesículas que se fusionan con la membrana plasmática, terminando con la expulsión fuera de ella. Es de este modo que en las sinapsis de las células nerviosas, se liberan los neurotransmisores, como es el caso de la serotonina (una substancia química que ayuda a determinar el ánimo).

En un animal multicelular, las proteínas llamadas "receptoras" que están embebiendo la membrana plasmática, permiten la actividad coordinada a todos los niveles, de miles de millones de células. A nivel alto, los receptores sinápticos para neurotransmisores, como es el caso de la serotonina y el de la acetilcolina, reciben el mensaje que proviene de largas distancias traídos por las fibras nerviosas. Dentro del sistema endocrino, los receptores de hormonas desarrollan un rol análogo, como también los receptores de superficie de linfocitos y otras células inmunológicas pueden responder a los organismos invasores. Pero a nivel más fundamental, grupos de receptores le permiten a células más especializadas, cooperar con sus vecinas en la formación y funcionamiento de tejidos y órganos. Ellas hacen esto interactuando con la superficie de otras células o uniéndose a moléculas que secretan otras células para pasar el mensaje, como por ejemplo un mensaje dirigido al núcleo de la célula, donde éste puede activar o silenciar un determinado gene.


Policía del cuerpo. Inmunidad y alergia

Un ejemplo, son los receptores de la membrana plasmática contenidos en las paredes de las células inmunológicas, llamadas linficitos T, o células T. Estos receptores les permiten actuar como policías dentro del organismo, patrullando y destruyendo a las células que han sido invadidas por organismos infecciosos. Sus receptores se unen a las moléculas llamadas MHC en la superficie de otras células. Las moléculas MHC presentan fragmento de proteínas o "péptidos". Las células saludables, no infectadas presentan sus propios péptidos, pero las células infectadas también presentan péptidos, pero provenientes de organismos invasores. Mientras que las células T normalmente no responden a las moléculas MHC asociadas con sus propios péptidos, en cambio gatillan una fuerte respuesta inmune, si sus receptores hacen contacto con las moléculas MHC pertenecientes a péptidos extraños.

Pero en ocasiones las células T pueden reaccionar erróneamente frente a sus mismos péptidos, resultando con ello una enfermedad llamada por "auto inmunidad", como es el caso de la artritis o de la esclerosis múltiple. Del mismo modo, si las células T sobre reaccionan a péptidos que son extraños, pero que normalmente no hacen daño, se produce una respuesta alérgica, como es el asma o la fiebre de heno. Otra consecuencia indirecta de la capacidad de reconocimiento de péptidos extraños por parte de los receptores de las células inmunes, es el rechazo de órganos o tejidos transplantados. Porque las moléculas MHC varían enormemente de un individuo a otro, el sistema inmune reconoce como antígenos extraños a los que no tienen la misma estructura de los propios.

El hacer posible que las células inmunes actúen policialmente en nuestro organismo, es otro de los roles claves de las membranas. Con la publicación del primer borrador de la secuencia del genoma humano, ahora los biólogos van a disponer de la llave para comenzar a conocer sus secretos. La secuencia de las bases de un gene individual indican la secuencia de los aminoácidos de la proteína que codifican. Cuando conocemos la secuencia de aminoácidos de los receptores y cuando además llegamos a conocer la forma en que la proteína se dobla para adquirir su estructura tridimensional, podemos comenzar a conocer el misterio de cómo ella trabaja en su rol de receptora. Con el tiempo aprenderemos con mayor precisión a manipular células, creando drogas a la medida para interactuar con proteínas específicas de membrana. Nosotros y nuestras membranas plasmáticas, estamos realmente viviendo tiempos excitantes.

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Los fantasmas de los glóbulos rojos

La membrana de los glóbulos rojos es más conocida que cualquiera otra membrana de otra célula. Los biólogos la han usado para descubrir muchas de las características de la doble membrana lipídica, de las proteínas que esta contiene y la permeabilidad a varias sustancias. Gracias a los glóbulos rojos, se han ido conociendo las funciones de muchas otras proteínas que están ampliamente esparcidas en las membranas plasmáticas de otras células, tales como canales y proteínas que unen la membrana con el citoesqueleto.

Entre los biólogos, hay muchas razones que explican la popularidad de los glóbulos. Ellos están disponibles en gran cantidad (en los bancos de sangre) y son fácilmente separables de otras células sanguíneas. Además, como los glóbulos rojos no tienen núcleo ni organelos internos, los investigadores pueden estar seguros que lo que ellos encuentran, tiene solo relación con la membrana plasmática.

Los glóbulos rojos vacíos "fantasmas" se preparan colocando las células en una concentración salina más baja que la del citoplasma. Con esto, por osmosis, el agua entra a la célula, con lo que se hincha y revienta, liberando la mayor parte de las proteínas no perteneciente a la membrana, la hemoglobina y otros contenidos celulares que podrían alterar los experimentos con la membrana. Mientras aún está quebrada se pueden estudiar ambos lados de la membrana y exponerla a reactivos. Estas células se conocen como "fantasmas rotos". Alternativamente a las células se les puede permitir sellarse de nuevo, de modo que los reactivos pueden sólo alcanzar la cara externa de la membrana. Una tercera opción, es crear un "fantasma dentro-fuera", con el objeto de estudiar aisladamente la cara interna de la membrana.

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James Kingsland

Border Control: New Scientist.
Inside Science 132. Julio 15, 2000.