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UNIVERSITARIOS POTOSINOS 235 MAYO 201912
Recibido: 23.02.2019 I Aceptado: 19.03.2019
Palabras clave: Biomembranas, fosfolípidos, rafts, bicapa y citoesqueleto.
MEZA, U., ROMERO, A. Y SÁNCHEZ, S. PÁGINAS 12 A 17
La membrana plasmática es la estructura que delimita las células
de todos los seres vivos. El presente artículo revisa brevemente
conceptos básicos asociados a su naturaleza, organización, rele-
vancia funcional y modelos. Originalmente, la membrana plasmá-
tica se visualizó como una barrera limitante, estática y divisoria
del interior y exterior celular, pero actualmente se la reconoce
como una estructura dinámica donde tienen lugar numerosos
procesos vitales para las células.
La membrana plasmática: frontera dinámica de la célula
ULISES MEZA [email protected]
ANA CATALINA ROMERO SERGIO SÁNCHEZ-ARMASS
FACULTAD DE MEDICINA, UASLP
Confines al óleo de enmascarada quietud, sustentan la vida.
Catalina Romero
MAYO 2019 235 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 13LA MEMBRANA PLASMÁTICA
La membrana plasmática: frontera dinámica de la célula
¿Qué es la membrana plasmática?
Las células de todos los seres vivos
están delimitadas por la membrana
plasmática. Su evolución biológica
favoreció el aislamiento de un deter-
minado ambiente (medio intracelular)
de su medio circundante (medio ex-
traceluar). Este suceso crítico permi-
tió el establecimiento de condiciones
fisicoquímicas que propiciaron el de-
sarrollo de mecanismos de síntesis y
replicación de moléculas clave en los
procesos que hoy sustentan la exis-
tencia de todas las células y, por lo
tanto, de todos los seres vivos. Cabe
mencionar la importante aportación
en este campo del biólogo mexicano
Alfonso L. Herrera (Science, 1942),
quien caracterizó microestructuras
inertes con apariencia de células que
denominó colpoides y sulfobios.
La evolución de la membrana plas-
mática no debe entenderse única-
mente como el establecimiento de
una frontera física entre el interior y el
exterior de la célula, sino como el de-
sarrollo de una intrincada estructura
que permite el intercambio dinámico
de materia y energía entre estos dos
compartimientos y que asegura la in-
tegridad de un ambiente delimitado
con características propias: el espacio
intracelular o citoplasmático.
El concepto actual de la membrana
plasmática implica un complejo de lí-
pidos y proteínas en constante reorga-
nización, con un costo energético muy
alto para las células. Este concepto ha
evolucionado de manera continua gra-
cias a la generación de nuevos conoci-
mientos, resultantes de técnicas expe-
rimentales y planteamientos teóricos
de frontera.
Los componentes
La membrana plasmática está consti-
tuida básicamente por lípidos y pro-
teínas. Sus lípidos son moléculas que
presentan un extremo afín al agua
(hidrófilo) y otro que la repele (hidró-
fobo). Esta característica les permite
organizarse de manera espontánea
en una bicapa, donde sus extremos
hidrófilos interactúan con las molécu-
las del agua que los rodean en el inte-
rior y exterior celulares, mientras que
sus extremos hidrófobos se orientan
hacia el interior de la misma bicapa.
En este escenario, sus proteínas cons-
titutivas se asocian de manera periféri-
ca a la bicapa lipídica, o bien se hallan
completamente embebidas en ella.
Definir una proporción promedio de
sus elementos constitutivos es todo
un reto, ya que existe una gran varie-
dad de tipos celulares, a lo que debe
sumarse la cambiante composición
de sus membranas a través de su de-
sarrollo y su ciclo celular. Más aún, se
sabe que la membrana plasmática no
es homogénea a lo ancho de su su-
perficie ni entre sus monocapas cons-
titutivas. El número de distintos tipos
de proteínas y lípidos asociados a la
membrana plasmática fluctúa entre
varios cientos a miles.
Actualmente, se realizan grandes es-
fuerzos para determinar con exactitud
el número y la variedad total de pro-
teínas (proteómica) y lípidos (lipidó-
mica) alojados en los diferentes tipos
de membrana plasmática. Sin embar-
go, cabe reconocer las dificultades
técnicas que implica la discriminación
y caracterización del alto número pre-
sente de estas biomoléculas. A pesar
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Balsa de membrana
Bicapalipídica
Citoesqueleto (actina)
Colesterol
Proteína integral Glicolípido Proteína periférica
Canal iónico
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de tales limitantes, han podido esta-
blecerse algunas generalidades res-
pecto a los componentes de la mem-
brana plasmática. Así, se considera
que sus constituyentes lipídicos son
más abundantes que los proteicos, lo
que ha dado pie al modelo del mar
de lípidos que alberga un número
reducido de proteínas, a manera de
icebergs, idea reflejada en el icónico
modelo del mosaico fluido (Singer y
Nicolson, 1972).
Se acepta también que la asimetría en-
tre sus monocapas se debe a una ma-
yor presencia de ciertos lípidos como
la fosfatidilcolina y la esfingomielina
en la monocapa externa, mientras
que la monocapa interna preferente-
mente aloja elementos lipídicos dife-
rentes como la fosfatidilserina y la fos-
fatidiletanolamina. Los
componentes protei-
cos comprenden dos tipos: proteínas
periféricas e integrales. Las primeras
se asocian o anclan a la cara externa
o interna de la membrana plasmática,
mientras que las segundas se encuen-
tran embebidas completamente en
ella. Las proteínas integrales estable-
cen puentes de comunicación entre
el interior y el exterior celular de ma-
nera directa, mediante la constitución
de canales iónicos y de acarreadores
que permiten el libre flujo de iones
y pequeñas moléculas a través de la
membrana plasmática, y de manera
indirecta por la generación de men-
sajeros intracelulares en respuesta a
estímulos externos, como los recep-
tores de membrana para hormonas y
neurotransmisores (figura 1).
¿Qué elementos, propiedades o in-
teracciones establecen el arreglo de
un determinado tipo de lípido o de
proteína en una región específica
de la membrana plasmática? Es una
cuestión que actualmente es aborda-
da desde diferentes enfoques experi-
mentales y teóricos. En principio, dicho
arreglo puede generarse a partir de las
propiedades intrínsecas de los compo-
nentes de la membrana o resultar de
procesos metabólicos que implican un
costo energético. El orden estructural
y funcional de sus elementos se refle-
ja en su capacidad de desarrollar una
gran variedad de procesos, entre los
que destacan: transporte y permeabi-
lidad selectiva de iones y sustancias,
excitabilidad eléctrica, movilidad celu-
lar, diferenciación celular, liberación de
mensajeros químicos, reconocimiento
intercelular y transducción de señales
extracelulares. También se vuelve evi-
dente, de manera dramática, cuando
su desarreglo da lugar a procesos dis-
funcionales o patológicos.
Esquema de la membrana plasmáticaFigura 1.
MAYO 2019 235 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 15LA MEMBRANA PLASMÁTICA
El desarrollo del modelo
El establecimiento y desarrollo del
modelo de la membrana plasmáti-
ca representa un fascinante ejemplo
de la complementariedad entre los
ámbitos experimental y teórico de la
ciencia. A continuación, se presenta
un somero recuento de sucesos cla-
ve en el desarrollo del modelo de la
membrana plasmática y se remite al
lector las publicaciones de Meza y
cols. (2010) y Robertson (2018) para
un abordaje más detallado de los mis-
mos. Una de las primeras referencias
del concepto de membrana plasmá-
tica se encuentra en los trabajos que
el botánico alemán Wilhelm Pfeffer
(1887) realizó sobre las propiedades
de permeabilidad de células vegetales
y membranas artificiales.
La naturaleza lipídica de la membrana
plasmática fue establecida original-
mente por Charles Overton (1899)
con base en la mayor facilidad de las
sustancias lipídicas de incorporarse a
las membranas biológicas, en relación
con la de compuestos de otras na-
turalezas. Más adelante, Hugo Fricke
(1923) determinó el valor específico
(1.0 μF/cm2) de una de sus propie-
dades íntimamente ligada a su grosor
y naturaleza lipídica denominada ca-
pacitancia eléctrica de la membrana
plasmática, la cual tiene importantes
implicaciones en la generación y con-
ducción de señales eléctricas. A partir
de una serie de elegantes experimen-
tos, Evert Gorter y Francois Grendel
(1925) lograron definir el valor del
área ocupada por los lípidos extraí-
dos de la membrana plasmática de
los glóbulos rojos y encontraron que
dicho valor correspondía al doble del
de la superficie calculada para un nú-
mero conocido de estas células. Esto
los llevó a inferir que la membrana
plasmática está constituida por una
bicapa lipídica.
Más tarde, durante el desarrollo de
experimentos de tensión superficial
en la membrana plasmática de hue-
vos de peces marinos, James Danielli
y Edmund Harvey (1935) establecie-
ron la necesidad de incorporar un ele-
mento adicional a los componentes li-
pídicos —hasta entonces considerados
como los únicos constituyentes de la
membrana plasmática— para explicar
sus resultados, con ello determinaron
la inclusión de las proteínas al modelo
de la membrana plasmática.
Con base en lo anterior, James Da-
nielli y Hugh Davson (1934) propu-
sieron un nuevo modelo de mem-
brana que incluía una región central
lipídica revestida (a ambos lados) por
una monocapa de fosfolípidos y una
cubierta externa de proteínas globula-
res. Posteriormente, David Robertson
(1959) planteó su teoría unitaria de
la membrana que establece que to-
das las membranas biológicas están
constituidas por una bicapa lipídica;
la propuesta estuvo sólidamente sus-
tentada con imágenes de microscopía
electrónica, en las cuales se distinguía
una región intermedia de baja densi-
dad electrónica, delimitada por estruc-
turas periféricas de mayor densidad.
La región intermedia correspondía a
los extremos hidrófobos de los lípi-
dos, mientras que las estructuras pe-
riféricas representaban sus extremos
hidrófilos o a las proteínas asociadas
a ellos. Las proteínas en este modelo
se alojaban preferentemente sobre la
superficie de la bicapa lipídica y solo
Lípidos y proteínas constituyen la membrana plasmática, principalmente
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una proporción muy reducida de su
estructura se insertaba en la región
hidrófoba de la misma.
El modelo actual
En 1972, Seymour Singer y Garth Ni-
colson postularon el modelo del mo-
saico fluido, originalmente planteado
por Singer un año antes, donde de-
finieron a la membrana plasmática
como una bicapa fluida de lípidos
que aloja diversos conglomerados
proteicos. Estos conceptos fueron
compartidos y publicados de manera
independiente y casi simultánea por
el científico mexicano Carlos Gitler
(1972) quien, lamentablemente, no
ha recibido un merecido reconoci-
miento por sus aportaciones. El mo-
delo del mosaico fluido resaltaba la
distribución homogénea de lípidos y
proteínas, al tiempo que reconocía la
asimetría entre sus hemicapas. Poste-
rior a su planteamiento, este modelo
ha estado sujeto a una constante revi-
sión y puesta al día (Robertson, 2018).
Así, a partir de los trabajos de Mark
Bretscher (1972) se incluyó la noción
de asimetría lipídica entre sus he-
micapas, mientras que los estudios
de Dennis Chapman (1975) y de
Mahendra Jain y Harold White (1977)
incorporaron el concepto de la se-
gregación lateral de sus elementos
lipídicos en dominios discretos. Kai
Simons y Gerrit van Meer (1988) re-
tomaron estos aspectos para plantear
su modelo de nanodominios lipídicos,
a partir de sus estudios sobre la dis-
tribución diferencial de esfingolípidos
en la membrana apical de células
epiteliales. Más adelante, Kai Simons
y Elina Ikonen (1997) incorporaron
el colesterol como un elemento in-
dispensable en la organización y
establecimiento de estos nanodomi-
nios de membrana o balsas lipídicas
(rafts). Con respecto a las proteínas
constitutivas de la membrana, seña-
laron la posibilidad de que algunas
de ellas estuvieran incluidas o ancla-
das a las balsas, mientras que otras
estuvieran excluidas de sus límites,
en función de su naturaleza molecu-
lar y de sus respectivas propiedades
termodinámicas.
En 2006 se redefinió el concepto de
balsas lipídicas (lipid rafts) en favor de
la de balsas de membranas (membra-
ne rafts), que constituyen dominios
pequeños de dos a 100 nanómetros
(nm) de diámetro, heterogéneos, al-
tamente dinámicos, enriquecidos en
colesterol y esfingolípidos, que com-
partimentan procesos celulares (fi-
gura 1). Actualmente se contempla
la posibilidad de que estas pequeñas
balsas puedan estabilizarse y gene-
rar plataformas de mayor tamaño a
través de interacciones proteína-pro-
teína y proteína-lípido. Se reconocen
dos tipos de balsas de membrana:
planas y caveolas. Las primeras se
alinean en el plano de la membrana
y su caracterización detallada ha sido
muy difícil debido a su pequeño ta-
maño (2-20 nm de diámetro) y gran
dinamismo. Las segundas correspon-
den a invaginaciones o repliegues de
la membrana plasmática de mayor
dimensión (50-100 nm de diámetro)
y menor dinamismo que los de las
balsas planas.
En este escenario, Akihiro Kusumi y
su grupo (2012) utilizaron la pode-
rosa técnica de seguimiento de mo-
lécula única y determinaron que las
proteínas y los lípidos constitutivos de
la membrana plasmática presentan
dos tipos de difusión: de corto alcan-
ce (confinada a un compartimento)
y de largo alcance (dada entre com-
partimentos diferentes). La primera
es rápida (8 μm2 s-1), mientras que la
segunda es unas 20 veces más len-
ta. Esta diferencia, de acuerdo con el
grupo de Kusumi, se explica porque
la superficie de la membrana plasmá-
tica está dividida en pequeños com-
partimentos y la difusión de lípidos y
proteínas entre ellos enfrenta mayor
dificultad. A esta propuesta se le de-
nominó modelo de corrales e involu-
cra estructuras de soporte intracelular
denominadas en su conjunto citoes-
queleto (Kusumi et al., 2012).
El modelo establece que las proteínas
integrales que sobresalen del lado ci-
toplasmático de la membrana funcio-
nan como postes e interaccionan con
los filamentos de actina del citoes-
queleto, dando lugar al confinamiento
de áreas o corrales (de unos 40 a 300
nm de diámetro) en la cara interna de
la membrana plasmática. Los corrales
limitan el desplazamiento de las pro-
teínas (integrales o periféricas) y de
los fosfolípidos presentes en ambas
hemicapas de la membrana. Así, to-
dos los fosfolípidos y proteínas que
conforman la membrana plasmática
están sujetos a los dos tipos de difu-
sión mencionados.
El modelo también asume que las bal-
sas de membrana se alojan dentro de
los corrales. La significancia funcional
de las balsas y los corrales de mem-
brana es un un tema vigente y de gran
interés, ya que la compartimentación
subcelular de procesos a la que dan
MAYO 2019 235 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 17LA MEMBRANA PLASMÁTICA
Es doctor por el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados de la Ciudad de México. Es profesor investigador en la Facultad de Medicina de la UASLP, en donde trabaja el proyecto “Interacciones entre canales iónicos y lípidos en la membrana plasmática”.
ULISES MEZA VILLANUEVA
lugar propicia su especificidad y efi-
ciencia. En años recientes, la conver-
gencia de intereses entre las áreas de
la física de la materia blanda, de las
membranas biológicas y de la simula-
ción de dinámica molecular ha defini-
do una nueva manera de abordar los
procesos biológicos que se dan en el
ámbito de las membranas celulares.
Las técnicas de microscopía de alta
resolución y de simulación molecular,
por ejemplo, posibilitan la detección,
análisis y caracterización de estructu-
ras y propiedades funcionales de las
membranas biológicas a nivel mole-
cular. En los próximos años se espera
que estos novedosos enfoques pro-
porcionen un mejor entendimiento
de la organización, funcionalidad y
disfunción de la membrana plasmá-
tica, y de las membranas biológicas
en general.
Comentarios finales
Como se ha mencionado, el con-
cepto de membrana plasmática ha
evolucionado radicalmente desde su
propuesta inicial. La incorporación de
diversas y novedosas características
estructurales y funcionales ha propi-
ciado el planteamiento de un nuevo
modelo dinámico, que incluye hete-
rogeneidades (denominadas balsas
de membrana) dentro de un comple-
jo andamiaje en el que participa de
manera relevante el citoesqueleto.
Las balsas de membrana se visualizan
actualmente como plataformas es-
tructurales de naturaleza lipoproteica
que propician la eficiente modulación
de procesos fisiológicos asociados a
la membrana plasmática.
Los retos actuales en el campo de
investigación de la membrana plas-
mática implican la comprensión de
los principios rectores de la dinámica
de ensamble-disociación-señalización
de estos complejos moleculares en
los diferentes escenarios y contextos
celulares, así como sus consecuencias
sobre el funcionamiento normal o pa-
tológico de las células.
Referencias bibliográficas:Singer, S. J. y Nicolson, G. L. (1972). The fluid mosaic model of
the structure of cell membranes. Science, 175, pp. 720-731.Meza U., Romero-Méndez, A. C., Licón, Y. y Sánchez-Armass,
S. (2010). La membrana plasmática: modelos, balsas y señalización. Revista de Educación Bioquímica de la UNAM, 29, pp. 125-134.
Gitler, C. (1972). Plasticity of biological membranes. Annual Review of Biophysics and Bioengineering, 1, pp. 51-92.
Robertson, J. L. (2018) The lipid bilayer membrane and its protein constituents. The Journal of General Physiology, 150, pp. 1472-1483.
Kusumi, A., Fujiwara, T. K., Chadda, R., Xie, M., Tsunoyama, T. A., Kalay, Z., Kasai, R. S. y Suzuki, K. G. (2012). Dynamic organizing principles of the plasma membrane that regulate signal transduction: commemorating the fortieth anniversary of Singer and Nicolson’s fluid-mosaic model. Annual Review of Cell and Developmental Biology, 28, pp. 215-250.