Membrana plasmática
La membrana plasmática es una estructura de bicapalipídica visible con microscopía electrónica de transmisión.
La membrana plasmática (membrana celular, plasmalema) es una estructura dinámica que participa en forma activa en muchas actividades fisiológicas y bioquímicas esenciales para el funcionamiento y la supervivencia de la célula. Cuando la membrana plasmática se fija, se secciona, se tiñe y se observa en forma apropiada con el microscopio electrónico de transmisión (MET), aparece formada por dos capas electrodensas separadas por una capa intermedia electrolúcida (no teñida). El espesor total de la membrana plasmática es alrededor de 8 a 10nm.
 | Fotomicrografía de las microvellosidades en la superficie apical de una célula absortiva. Esta fotomicrografía muestra la porción apical de las células absortivas con microvellosidades. |
La membrana plasmática está compuesta por una capa de lípidos anfipáticos que contiene proteínas integrales y proteínas periféricas adheridas a sus superficie.
La interpretación actual de la organización molecular de la membrana plasmática consiste en el llamado modelo de mosaico fluido modificado. La membrana está compuesta principalmente por moléculas de fosfolípidos, colesterol, y proteínas. Las moléculas de lípido forman una bicapa lipídica de carácter anfipático (tanto hidrófoba como hidrófila). Las cadenas de ácidos grasos de las moléculas lipídicas se enfrentan entre sí, tornando hidrófoba (es decir, que no tiene afinidad por el agua) la porción interna de la membrana. Las superficies de la membrana están formadas por los grupos polares de las cabezas de las moléculas lipídicas, haciendo de este modo que las superficies se tornen hidrófilas (es decir, con afinidad por el agua). Los lípidos se distribuyen en forma asimétrica entre las hojuelas interna y externa de la bicapa lipídica, y su composición varia en forma considerable entre las diferentes membranas biológicas.
Diagrama de la membrana plasmática que presenta el modelo de mosaico fluido modificado. La membrana plasmática es una bicapa lipídica compuesta principalmente por moléculas de fosfolípidos, colesterol y moléculas de proteínas. Las cadenas hidrófobas de los ácidos grasos se enfrentan para formar la porción interna de la membrana, mientras que las cabezas polares hidrófilas de los fosfolípidos forman las superficies intracelular y extracelular de la membrana. Las moléculas de colesterol son incorporadas dentro de los espacios entre los fosfolípidos en forma equivalente en ambos lados de la membrana. Obsérvese el área sobreelevada de la balsa lipídica, que se caracteriza por una alta concentración de glucoesfingolípidos y colesterol. Contiene una gran cantidad de proteínas integrales y periféricas de la membrana. La balsa sobresale por encima del nivel de fosfolípidos distribuidos asimétricamente en la bicapa de la membrana (indicado por los diferentes colores de las cabezas de fosfolípidos). Las cadenas de hidratos de carbono se unen tanto a las proteínas de membrana integrales y periféricas para formar glucoproteínas, como a las cabezas polares de los fosfolípidos para formar glucolípidos.
En la mayoría de las membranas plasmáticas, las moléculas de proteína constituyen aproximadamente la mitad de la masa total de la membrana. La mayor parte de las proteínas están embebidas en la bicapa lipídica o la atraviesan por completo. Estas proteínas se denominan proteínas integrales de membrana. Los otros tipos de proteínas (proteínas periféricas de membrana) no están inmersas dentro de la bicapa lipídica. Éstas e asocian con la membrana plasmática por medio de interacciones iónicas fuertes, principalmente con proteínas integrales en la superficie extracelular e intracelular de la membrana. Además, en la superficie extracelular de la membrana plasmática, los hidratos de carbono pueden adherirse a las proteínas, y de ese modo formar glucoproteínas; o a los lípidos de la bicapa, y así formar glucolípidos. Estas moléculas de superficie constituyen una capa en la superficie de la célula que se conoce como cubierta celular o glucocáliz. Contribuyen a establecer microambientes extracelulares en la superficie de membrana que cumplen funciones específicas en el metabolismo, en el reconocimiento celular, y en la asociación celular, y sirven como sitios receptores para hormonas.
Los microdominios de la membrana plasmática, conocidos como balsas lipídicas, controlan el movimiento y la distribución de las proteínas dentro de la bicapa lipídica.
La fluidez de la membrana plasmática no puede observarse en fotomicrografías electrónicas estáticas. Los experimentos revelan que la membrana se comporta como si fuera un fluido lipídico bidimensional. Durante muchos años, se creyó que las proteínas integrales de membrana se movían libremente dentro del plano de la membrana; este movimiento se comparó con el movimiento de los témpanos de hielo flotando en el océano. Sin embargo, estudios recientes muestran que la distribución y el movimiento de las proteínas dentro de la bicapa lipídica no son tan aleatorios como se creía.
La membrana plasmática parece ser irregular con dominios localizados que tienen diferentes funciones y estructuras, y varían en espesor y composición. Estos dominios focalizados contienen altas concentraciones de colesterol y glucoesfingolípidos, y se denominan balsas lipídicas. Debido a la alta concentración de colesterol y a la presencia de cadenas largas de ácidos grasos altamente saturados, la superficie de la balsa lipídica es más gruesa y muestra una menor fluidez que la membrana plasmática circundante. El colesterol es un "pegamento" dinámico que mantiene a la balsa unida; su remoción de la misma produce la dispersión de los lípidos y las proteínas asociadas.
Imagen de balsas lipídicas obtenida con microscopio de fuerza atómica (MFA) operando en modo de per- cusión. La imagen muestra una bicapa lipídica de 5nm de espesor extendida sobre el soporte de mica. La bicapa está compuesta por dioleoilfosfatidilcolina (dioleoil- PC), esfingomielina y colesterol. La esfingo- mielina junto con el colesterol forman balsas lipídicas representadas en la imagen por las áreas rosadas; las áreas azul -púrpura corresponden al fondo de la bicapa que no es almadía. Dado que las moléculas de esfingomielina son más largas que las moléculas de dioleoil-PC, las balsas sobresalen alrededor de 0,8nm por arriba del nivel del fondo y el MFA tiene la sensibilidad suficiente para detectar esta protrusión. Las regiones negras representan el soporte de mica. La imagen también mues- tra moléculas de la toxina VacA helicobacter pylori (partículas blancas), las que se unen con preferencia a los receptores protéicos en las áreas de las balsas. La superficie ilustrada en esta imagen es de 800 nm cuadrados (Gentileza de los Drs. Nicholas A. Geisse, Timothy L. Cover, Robert M. Hen- derson y J. Michael Edwardso).
En general, existen dos tipos de balsas lipídicas:
- Balsas lipídicas planas contienen una familia de proteínas de 47kDa conocidas como flotilinas, además de la composición específica de lípidos y colesterol. Las flotilinas se valoran como marcadores moleculares de las balsas lipídicas y son consideradas como proteínas de andamiaje.
También participan en el reclutamiento de proteínas específicas de la membrana en las balsas y trabajan como socios activos en varios procesos de señalización.
- Balsas caveolares, o caveolas (lat. caveolae = cuevas pequeñas), representan pequeñas invaginaciones de la membrana plasmática en forma de botella (50 a 100nm de diámetro), enriquecidas con pequeñas proteínas integrales de membrana (18 a 24kDa) denominadas caveolinas. Estas proteínas tienen la capacidad de unirse al colesterol y a una variedad de proteínas que participan en la transducción de señales.
Las balsas lipídicas contienen una variedad de proteínas de membrana integrales y periféricas involucradas en la señalización celular. Pueden considerarse como “plataformas de señalización” que flotan en el océano de lípidos. Cada balsa individual está equipada con todos los elementos necesarios (receptores, factores de acoplamiento, enzimas efectoras y sus- tratos) para recibir y transmitir señales específicas.
La transducción de las señales en las balsas lipídicas ocurre con más rapidez y en forma más eficiente debido a la estrecha proximidad de las proteínas que interaccionan. Además, diferentes balsas de señalización permiten que las moléculas de señalización específicas estén separadas entre sí.
En infecciones bacterianas y víricas, el contacto inicial del microorganismo con la célula se produce en la balsa. Algunas bacterias (p.ej., Shigella flexneri, Salmonella typhimurium) secuestran las balsas con sus mecanismos de señalización y las usan para permitir su propia entrada a la célula. Muchas bacterias utilizan las balsas para evitar la fagocitosis y la subsecuente destrucción en los lisosomas. En otros casos, las bacterias invasoras utilizan receptores asociados a la balsa para generar vacuolas formadas con componentes de la balsa. Estas vacuolas son utilizadas para transportar bacterias dentro de la célula sin el riesgo de ser detectadas por compartimentos fagocíticos.
Las proteínas integrales de la membrana pueden visualizarse mediante el uso de la criofractura, una técnica de preparación histológica especial.
La existencia de proteína dentro de la sustancia de la membrana plasmática (es decir, proteínas integrales) fue confirmada por una técnica llamada criofractura. Cuando se prepara el tejido para la microscopia electrónica con el procedimiento de criofactura, normalmente las membranas se parten o dividen a lo largo del plano hidrofóbico (es decir, entre las dos capas lipídicas) para exponer las dos caras internas de la membrana, la cara E y la cara P.
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Examen de la membrana plasmática mediante criofractura. a. Vista de la membrana plasmática desde el borde, donde la flecha señala el plano de fractura preferencial de la bicapa lipídica a lo largo de la porción hidrófoba de la membrana. Cuando la membrana se quiebra, algunas proteínas son transportadas con la hojuela externa, aunque la mayoría son retenidas dentro de la hojuela interna. b. Vista de la membrana plasmática con las hojuelas separadas a lo largo del plano de fractura. Las superficies de la membrana fracturada son revestidas, formando réplicas; las réplicas se separan del tejido y se examinan bajo el microscopio electrónico de transmisión (MET). Las proteínas aparecen como eminencias. La réplica de la hojuela interna se llama cara- P; detrás de ella se encuentra el citoplasma (protoplasma). Una vista de la hojuela externa se llama cara –E; detrás de ella se encuentra el espacio extracelular. c. Fotomicrografía electrónica de la réplica de una criofractura que muestra la cara –E de la membrana de una célula epitelial y la cara –P de la membrana de la célula contigua. El plano de fractura ha saltado de la membrana de una célula a la membrana de otra, como lo indica el espacio claro (espacio intercelular) que atraviesa la mitad de la figura. Obsérvese la escasez de partículas en la cara –E en comparación con la cara –P, desde la cual se proyecta la mayor parte de las proteínas integrales de la membrana. (Gentileza de la Dra. Giuseppina d’Elia Raviola.)
La cara E tiene por detrás el espacio extracelular, mientras que la cara P tiene por detrás el citoplasma (protoplasma). Las numerosas partículas observadas con el MET en las caras E y P representan las proteínas integrales de membrana. La cara P suele exhibir más partículas, por lo tanto más proteína, que la cara E.
Las proteínas integrales de membrana cumplen funciones importantes en el metabolismo, regulación, integración, y señalización celular.
Se han definido seis amplias categorías de proteínas de membrana en lo que se refiere a su función: bombas, conductos, receptores, proteínas de enlace, enzimas y proteínas estructurales. Las categorías no son mutuamente excluyentes (p.ej., una proteína de membrana estructural puede servir en forma simultánea como un receptor, una enzima, una bomba, o cualquier combinación de estas funciones.
Diferentes funciones de las proteínas integrales de la membrana. En este diagrama se muestran las seis principales categorías de las proteínas integrales de la membrana: bombas, conductos, receptores, ligadores, enzimas y proteínas estructura- les. Estas categorías no son mutuamente excluyentes. Una proteína estructural de la membrana que participa en las uniones intercelulares puede servir en forma simultánea como un receptor, enzima, ligador o cualquier combinación de estas funciones.
- Las bombas sirven para transportar activamente ciertos iones, como el Na+, a través de las membranas. Las bombas también transportan a través de las membranas precursores metabólicos de macromoléculas, como aminoácidos y monosacáridos, ya sea en forma individual o ligados a una bomba de Na+.
- Los conductos permiten el paso de pequeños iones, moléculas y agua a través de la membrana plasmática en cualquier dirección (es decir, mediante difusión pasiva). Las uniones de hendidura, formadas por conductos alineados en las membranas de células contiguas, permiten el paso de iones y moléculas pequeñas implicadas en los procesos de señalización, desde el citoplasma de una de las células al citoplasma de células contiguas.
- Las proteínas receptoras permiten el reconocimiento y la unión específica de ligandos (moléculas que se unen a la superficie extracelular de la membrana plasmática) en procesos como la estimulación hormonal, endocitosis de vesículas con cubierta, y reacciones con anticuerpos. Los receptores que se unen a moléculas de señalización transmiten la señal a través de una secuencia de interruptores moleculares (o sea, segundos mensajeros), a los mecanismos de señalización internos, iniciando así, una respuesta fisiológica.
- Las proteínas de enlace fijan el citoesqueleto intracelular a la matriz extracelular. Entre los ejemplos de proteínas de enlace se encuentra la familia de las integrinas que vinculan los filamentos de actina del citoplasma con una proteína de la matriz extracelular (fibronectina).
- Las enzimas tienen una gran variedad de funciones. Las adenosina trifosfatasas (ATPasas) desempeñan papeles específicos en el bombeo de iones: la ATP sintasa es la principal proteína de la membrana mitocondrial interna, y las enzimas digestivas como disacaridasas y dipeptidasas, son proteínas integrales de membrana.
- Las proteínas estructurales se visualizan mediante el mé- todo de criofractura, especialmente donde forman uniones con células vecinas. A menudo, ciertas proteínas y lípidos se concentran en regiones localizadas de la membrana plasmática para cumplir funciones específicas. Ejemplos de dichas regiones pueden identificarse en las células polarizadas, como las células epiteliales.
A continuación podrás apreciar en la siguiente tabla, los métodos de tinción más utilizados para observar tejidos celulares a través de un microscopio, así como diversos ejemplos de ellos.
