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La Célula: Membrana Celular

Una membrana celular (también conocida como membrana plasmática o plasmalema) es una membrana biológica que separa el contenido de la célula del entorno exterior. Una membrana celular está compuesta por una bicapa de fosfolípidos y proteínas que funcionan para proteger el ácido desoxirribonucleico (ADN) celular y mediar en el intercambio de iones y moléculas. Además, la membrana celular permite a la célula comunicarse con otras células y también ayuda a la formación de tejidos. Las membranas se forman cuando los glicerofosfolípidos y los esfingolípidos interactúan y exponen sus cabezas polares al entorno extracelular acuoso, mientras que secuestran sus colas no polares hacia el centro de la membrana. Las proteínas ancladas en la membrana son responsables de la señalización y las interacciones celulares, del transporte transmembrana de sustancias y de la estructura celular.

Última actualización: Sep 28, 2022

Responsabilidad editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Características y Estructura

Definición

La membrana celular (también conocida como membrana plasmática o plasmalema) es una membrana biológica que separa el contenido de la célula del entorno exterior.

Funciones

  • Barrera que protege el contenido de la célula del entorno extracelular
  • Ancla el citoesqueleto y define la forma celular
  • Se adhiere a la matriz extracelular y ayuda a la formación de tejido
  • Transporta materiales dentro y fuera de la célula
  • Permite la comunicación celular
Citoesqueleto unido a la membrana plasmática - estructura celular

Representación de la unión del citoesqueleto a la membrana plasmática para proporcionar la estructura celular

Imagen por Lecturio.

Composición

La composición de la membrana celular puede cambiar en función del entorno y de la fase de desarrollo de la célula. En peso, se compone de aproximadamente un 50% de lípidos y un 50% de proteínas.

Lípidos:

  • Fosfolípidos (> 50% de los lípidos de la membrana):
    • Lípidos anfipáticos con una cabeza de fosfato (polar) y 2 colas de ácidos grasos (no polares)
    • Forman una doble capa (bicapa lipídica) con las cabezas polares enfrentando al agua y los extremos no polares enfrentándose entre ellos (exclusión hidrofóbica)
    • La proporción de ácidos grasos saturados frente a los insaturados determina la fluidez de la membrana.
  • Glicolípidos (aproximadamente 2%):
    • Lípido unido a un carbohidrato, orientado hacia el exterior
    • Desempeñan un papel en las interacciones célula-célula
    • Determinan el tipo de sangre ABO
    • Participan en la formación de glicocálix
    • Respuesta inflamatoria
    • Reconocimiento viral de las células huésped
  • Colesterol:
    • Lípido anfipático con un anillo de esterol
    • El grupo hidroxilo interactúa con el agua
    • Anillo de esterol incrustado en la membrana
    • Disminuye la fluidez de la membrana
    • Aumenta el rango de temperatura de transición de fase
    • Mantiene la integridad de la membrana sin necesidad de una pared celular
    • También puede empaquetarse en lipoproteínas para su transporte por el torrente sanguíneo

Proteínas:

  • Proteínas integrales de membrana:
    • Incrustadas en la bicapa, suelen abarcar toda la membrana (transmembrana)
    • Penetran en la membrana para transportar sustancias
    • Ejemplos:
      • Canales iónicos
      • Bombas de protones
      • Receptores acoplados a proteínas G
  • Proteínas periféricas:
    • Unidas reversiblemente a la membrana o proteínas integrales
    • Penetran parcialmente la membrana
    • Señalización celular e interacciones proteína-proteína
    • Proteínas ligadas al glicosilfosfatidilinositol
    • Las proteínas del citoesqueleto, anquirina y espectrina, se unen a la actina.
  • Proteínas ancladas a lípidos:
    • Se unen a los lípidos que se insertan en la membrana
    • No son una parte integral de la membrana
    • Ejemplo: Proteínas G
Proteínas de la membrana celular - sección transversal

Sección transversal de una membrana celular que muestra numerosas estructuras

Imagen por Lecturio.

Propiedades

  • Asimétrica: Las capas interna y externa tienen fosfolípidos diferentes.
  • No uniforme: Tiene dominios (e.g., balsa de lípidos)
  • Concepto de mosaico fluido: La bicapa lipídica permite el libre movimiento lateral de proteínas y lípidos.
  • Temperatura de transición (10°C40°C):
    • A bajas temperaturas, la membrana pasa a un estado sólido similar al de un gel.
    • La membrana pierde fluidez (se vuelve más rígida).
    • El colesterol ayuda a preservar la fluidez de la membrana a bajas temperaturas.
  • Permeabilidad selectiva:
    • Permeable a:
      • Gases (e.g.,CO2, CO, O2)
      • Pequeñas moléculas polares sin carga (e.g., H2O, etanol, urea)
    • No permeable a:
      • Grandes moléculas polares sin carga (e.g., glucosa)
      • Iones (e.g., Na⁺, K⁺)
      • Moléculas polares cargadas (e.g., adenosin trifosfato (ATP, por sus siglas en inglés), aminoácidos)

Transporte por Membrana

Gradientes transmembrana

  • Gradiente de concentración de ciertos iones:
    • La concentración de Na⁺ es mayor fuera de la célula.
    • La concentración de K⁺ es mayor dentro de la célula.
  • Potencial de membrana:
    • Gradiente eléctrico a través de la membrana
    • El interior de la célula es más negativo que el exterior.
  • Gradiente electroquímico:
    • Se mantiene gracias a la bomba de Na⁺/K⁺: una estructura de proteína transmembranaque hidroliza el ATP y transporta 3 iones de Na⁺ fuera de la célula por cada 2 iones de K⁺ que se mueven hacia la célula
    • Genera una combinación de gradientes eléctricos y de concentración:
      • El Na⁺ se mueve hacia el interior de la célula basándose tanto en gradientes de concentración como en gradientes eléctricos.
      • El K⁺ entra en la célula según el gradiente eléctrico y sale de ella según el gradiente de concentración.

Proteínas de transporte

  • Canales:
    • Abiertos hacia el entorno en ambos lados simultáneamente
    • Proteínas de los canales iónicos
    • Provocan un cambio considerable en la concentración de iones mediante su apertura/cierre
    • Participan en la difusión facilitada de los iones
  • Proteínas transportadoras:
    • Solo se abre 1 lado (compuerta) a la vez
    • Presencia de sitios de unión que reconocen moléculas específicas
    • Reconocen moléculas específicas
    • Las proteínas transportadoras de membrana que transfieren 2 o más moléculas a través de la membrana se denominan cotransportadores:
      • Simportador: 2 solutos se mueven en la misma dirección
      • Antiportador: 2 solutos se mueven en direcciones opuestas

Transporte de membrana

  • El transporte pasivo (difusión facilitada) desplaza las sustancias de una concentración alta a una concentración baja (por el gradiente de concentración):
    • No requiere aporte de energía
    • Los canales se abren y permiten que las moléculas se difundan en la célula hasta que las concentraciones se igualen.
    • Los canales iónicos son «ion específicos» (e.g., canales de Na⁺ solo permiten difusión del Na⁺)
  • El transporte activo desplaza las sustancias de baja concentración a alta concentración (en contra del gradiente de concentración):
    • Requiere una proteína transportadora para la unión del sustrato
    • El transporte activo primario requiere energía (generalmente ATP).
    • Transporte activo secundario:
      • Utiliza el gradiente electroquímico generado por el transporte activo primario
      • Los cotransportadores mueven una molécula hacia un gradiente, mientras que simultáneamente mueven otra molécula en contra del gradiente.
      • Bomba de Na+/Ca2+: utiliza la entrada de Na⁺ para mover el Ca2+ fuera de la célula
  • Endocitosis: engullido de partículas o iones mediante la formación de vesículas de membrana que se desprenden de la membrana plasmática
  • Exocitosis: excreción de ciertas sustancias por fusión de vesículas de membrana con la membrana externa de la célula

Relevancia Clínica

Trastornos de la membrana plasmática

  • Esferocitosis hereditaria: enfermedad hereditaria autosómica dominante de los eritrocitos, que se presenta como un cambio morfológico de los eritrocitos a los llamados esferocitos. Los cambios en la forma de la membrana plasmática están asociados a mutaciones en las proteínas del citoesqueleto. Los esferocitos defectuosos son eliminados de la circulación por el bazo, lo que provoca anemia. El tratamiento es con ácido fólico y, cuando es necesario, una esplenectomía.
  • Hemoglobinuria paroxística nocturna: una rara y grave anemia hemolítica crónica adquirida con exacerbaciones periódicas causada por un defecto en el gen PIGA. Los genes PIGA son responsables del 1er paso en la síntesis del anclaje GPI que une un subconjunto de proteínas a la superficie celular. Las más importantes de estas proteínas de la superficie celular son la CD59 y la CD55, que protegen a la célula de la lisis celular mediada por el complemento.

Farmacología

  • Bloqueadores de canales iónicos:
    • Los alcaloides neurotóxicos del pez globo y de los mariscos bloquean los canales de Na⁺ de las neuronas.
    • Las arritmias cardíacas se tratan con bloqueadores de K⁺ y Na⁺.
    • Los medicamentos antihipertensivos bloquean los canales de Na⁺.
  • Abridores de canales iónicos:
    • Los vasodilatadores como el minoxidil, diazóxido y nicorandil abren los canales de K⁺.
    • Los anticonvulsivos como la retigabina y la flupirtina abren canales de K⁺ específicos.
    • Las benzodiacepinas y los barbitúricos potencian los receptores del ácido gamma-aminobutírico (GABA), que son canales de iones Cl.
  • Ionóforos (transportadores lipídicos de iones a través de las membranas):
    • Ionóforos K⁺:
      • Antibióticos que se unen a la célula bacteriana e interrumpen el gradiente de K⁺
      • Por ejemplo, valinomicina, nistatina, salinomicina
    • Ionóforos de protones (2,4-dinitrofenol):
      • Permiten que los protones se filtren a través de la membrana mitocondrial
      • Interrumpen la síntesis de ATP
      • Muy letales

Referencias

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molecular Biology of the Cell (4th ed.). New York: Garland Science.
  2. Brodsky, R. (2014). Paroxysmal nocturnal hemoglobinuria. Blood. https://doi.org/10.1182/blood-2014-02-522128
  3. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S., et al. (2000). Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman. Section 3.4, Membrane Proteins. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21570/
  4. Herrmann, T., Sharma, S. (2019). Physiology, Membrane. StatPearls. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30855799/

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